JP3114397B2

JP3114397B2 - 光学装置

Info

Publication number: JP3114397B2
Application number: JP04300488A
Authority: JP
Inventors: 博史後藤
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1992-10-12
Filing date: 1992-10-12
Publication date: 2000-12-04
Anticipated expiration: 2015-12-04
Also published as: JPH06123845A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学装置に関する。具
体的には、光ビームを走査する共振型の光スキャナを用
いた光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明の出願人は、アクチュエータ（駆
動源）の振動によって弾性変形部を共振振動させ、光ビ
ームを走査させるようにした光スキャナの開発をおこな
っている。この光スキャナを用いることにより、光スキ
ャナの小型化、２次元の走査化、高速化、低コスト化な
どを実現することができる。

【０００３】この光スキャナは、共振振動を利用してい
るため、アクチュエータに加える駆動電圧を検知するこ
とにより、走査位置を求めることができ、光走査装置や
２次元物体形状センサなどの２次元センサなどに適用が
図れる。

【０００４】すなわち、共振状態においては、図１３
（ａ）（ｂ）に示すようにアクチュエータへの電圧信号
と光スキャナの走査位置との関係は、位相がπ／２ずれ
た関係となっており、アクチュエータへの電圧信号と光
スキャナの走査位置すなわち走査角の関係は１対１で関
係づけられるものである。ここに、光スキャナの共振周
波数をω／（２π）、アクチュエータへの電圧信号Ｖ
(t)＝Ｖ₀ｓｉｎ(ω・ｔ)とすると、光スキャナの走査角
θ(ｔ)は、θ(t)＝θ₀ｓｉｎ（ω・ｔ−π／２）＝θ₀
ｃｏｓ（ω・ｔ）として求められる。ここにθ₀は最大
走査角である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、周囲の
温度変化により、光スキャナの共振周波数が変化した
り、駆動回路の安定性が劣化するため、共振振動を行な
っている光スキャナが共振状態を外れ、アクチュエータ
への電圧信号Ｖ(t)と光スキャナの走査角θ(t)の位相関
係は、共振状態のπ／２からずれることとなる（図１
３、１４）。このためアクチュエータへの電圧信号と走
査位置の関係が共振状態の場合と一致しなくなり走査位
置が特定できなくなる。

【０００６】したがって、この駆動電圧による走査位置
の検知方式は、周囲環境の安定した条件では適用できる
が、温度変化が大きいような周囲環境の安定していない
条件のもとでは走査位置の検出精度が劣化するので、光
センサなどに適応した場合には測定誤差を生じるという
問題点があった。

【０００７】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、光ビームを
走査する共振型の光スキャナにおいて周囲環境の安定し
ていない条件にあっても、光スキャナの走査位置の検出
精度の劣化を防ぎ、各種光学装置などに適応した場合に
その測定誤差をなくし、光スキャナの走査位置を高精度
に検出することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の光学装置
は、少なくとも１つの弾性変形モードを有する弾性変形
部と、前記弾性変形部の一端に設けられ前記弾性変形部
の弾性変形モードに応じて可動する可動片と、前記弾性
変形部の他端に設けられ前記弾性変形部に振動を伝える
振動入力部と、前記振動入力部に前記弾性変形モードに
対する共振振動を印加する駆動源と、光源と、前記可動
片の可動状態を検知するセンサとを備え、前記可動片を
共振振動させると共に光源からの光ビームを前記可動片
で反射させることにより光ビームを走査する光学装置に
おいて、前記可動片の可動状態を検知するセンサは、圧
電性を有する圧電薄膜が前記弾性変形部上に設けられ、
該弾性変形部の弾性変形によって発生する電圧信号に基
づいて、可動片の可動状態を検知することを特徴として
いる。本発明の第２の光学装置は、少なくとも１つの弾
性変形モードを有する弾性変形部と、前記弾性変形部の
一端に設けられ前記弾性変形部の弾性変形モードに応じ
て可動する可動片と、前記弾性変形部の他端に設けられ
前記弾性変形部に振動を伝える振動入力部と、前記振動
入力部に前記弾性変形モードに対する共振振動を印加す
る駆動源と、前記可動片上に形成された発光素子と、前
記可動片の可動状態を検知するセンサとを備え、前記可
動片を共振振動させると共に前記発光素子から光ビーム
を出射させることにより光ビームを走査する光学装置に
おいて、前記可動片の可動状態を検知するセンサは、圧
電性を有する圧電薄膜が前記弾性変形部上に設けられ、
該弾性変形部の弾性変形によって発生する電圧信号に基
づいて、可動片の可動状態を検知することを特徴として
いる。

【０００９】本発明の第３の光学装置は、少なくとも１
つの弾性変形モードを有する弾性変形部と、前記弾性変
形部の一端に設けられ前記弾性変形部の弾性変形モード
に応じて可動する可動片と、前記弾性変形部の他端に設
けられ前記弾性変形部に振動を伝える振動入力部と、前
記振動入力部に前記弾性変形モードに対する共振振動を
印加する駆動源と、光源と、前記可動片の可動状態を検
知するセンサとを備え、前記可動片を共振振動させると
共に光源からの光ビームを前記可動片で反射させること
により光ビームを走査する光学装置において、前記可動
片の可動状態を検知するセンサは、該可動片に設けた可
動電極と該可動片の近傍に設けた固定電極とにより、こ
れらの電極の静電容量の変化を検出することによって前
記可動片の可動状態を検知することを特徴としている。
本発明の第４の光学装置は、少なくとも１つの弾性変形
モードを有する弾性変形部と、前記弾性変形部の一端に
設けられ前記弾性変形部の弾性変形モードに応じて可動
する可動片と、前記弾性変形部の他端に設けられ前記弾
性変形部に振動を伝える振動入力部と、前記振動入力部
に前記弾性変形モードに対する共振振動を印加する駆動
源と、前記可動片上に形成された発光素子と、前記可動
片の可動状態を検知するセンサとを備え、前記可動片を
共振振動させると共に前記発光素子から光ビームを出射
させることにより光ビームを走査する光学装置におい
て、前記可動片の可動状態を検知するセンサは、該可動
片に設けた可動電極と該可動片の近傍に設けた固定電極
とにより、これらの電極の静電容量の変化を検出するこ
とによって前記可動片の可動状態を検知することを特徴
としている。

【００１０】また、上記の光学装置においては、前記弾
性変形部は２つの弾性変形モードを有し、前記振動入力
部にこれら２つの弾性変形モードに対する共振振動を印
加することにより前記可動片を２方向に共振振動させ、
２方向に光ビームを走査させることができる。

【００１１】さらに上記の光学装置に、受光素子を備え
ることにより、上記可動片により光源からの光ビームを
反射させ、もしくは、上記可動片上に設けた発光素子か
らの光ビームを対象物体に照射すると共に、対象物体か
らの反射光を受光することとしてもよい。

【００１２】

【００１３】なお、第３または第４の光学装置のように
電極間の静電容量が変化することを利用した検知センサ
を用いる場合には、可動片及び固定電極を配設するとこ
ろの固定部を単結晶シリコン基板から一体として作製
し、可動片上に可動電極を、固定部上に固定電極を設け
ることとしてもよい。

【００１４】また、上記のような各検知センサの信号を
もとに、上記可動片により反射もしくは可動片上の発光
素子から放たれる光ビームの走査位置を決定する回路を
設ける。次には、可動片の振動状態を所望の状態にすべ
く、駆動源の制御を行なわせる回路を設け、併せて、上
記検知センサの信号をもとに、可動片の振動状態が正常
であるかの判定を行わせる回路を設けることとしてもよ
い。

【００１５】また、上記の光学装置において、シリコン
基板から弾性変形部、可動片及び振動入力部を作製する
と共に、信号処理回路を可動片や振動入力部などを作製
したシリコン基板上に形成させることとしてもよい。

【００１６】

【作用】本発明の光学装置によると、圧電性を有する圧
電薄膜が弾性変形部上に設けられ、弾性変形部の弾性変
形によって電圧信号を発生することを利用した検知セン
サや、可動片に可動電極を設けると共に可動片の近傍に
固定電極を設け、弾性変形部の弾性変形によってこれら
の電極間の静電容量が変化することを利用した検知セン
サを設けたので、可動片の回動状態を直接に検知するこ
とができる。このため、駆動源の駆動電圧信号と光学装
置の走査位置の位相のずれを考慮することなく、光学装
置の走査位置を正確に知ることができる。また、温度変
化が激しいような周囲環境下において、光学装置の共振
周波数に変化を生じたり、駆動回路が温度に不安定なた
め、光学装置の共振状態からずれた場合であっても、走
査位置を正確に測定することができる。したがって、本
発明の光学装置を利用することで、測定誤差を少なく走
査位置を高精度に検出でき、適用範囲を広げられる。

【００１７】なお、本発明の光学装置に用いる検知セン
サは、極めて小さなものであるため、光学装置自体を大
きくすることもなく光学装置上または光学装置近傍に設
けることが可能で、光学装置を小型のままで走査精度を
向上させることができる。

【００１８】本発明の光学装置に受光素子を設けると、
各種の光走査センサとして応用が可能になる。また本発
明の光学装置の弾性変形部に、２つの弾性変形モードを
有する弾性変形部を持たせると２方向に光ビームを走査
することができ、２次元物体認識センサなどにも適用が
可能となる。ここで、半導体レーザー装置や発光ダイオ
ード等の発光素子による光源を可動片上に設けること
で、光学装置をさらに小型化することが可能である。

【００１９】さらに、検知センサにより光学装置の可動
片の回動状態を直接計測しているため、光学装置の可動
片を振動させている駆動回路へフィードバックを行い、
光学装置を安定にしかも正確に走査させることができ
る。併せて、光学装置の故障判定を行なうなどの自己故
障診断によって、光学装置の信頼性を高めることにもな
る。

【００２０】

【実施例】図１に、本発明の一実施例による光スキャナ
Ａを示す。光スキャナＡは、図１に示すように、薄板状
の振動プレート１及び圧電素子２からなる。振動プレー
ト１は、シリコン製の薄板材（シリコンウエハ）等によ
って形成されており、ねじれ変形モードで共振する軸状
の弾性変形部３の一端に可動片４を設け、他端に振動入
力部５を設けたものである。振動入力部５には積層型の
圧電素子２が接合されており、可動片４の表面には鏡面
加工を施すことによってミラー面６が形成されていて、
半導体レーザや発光ダイオード等の発光素子７からの光
ビームを反射するようになっている。したがって、振動
プレート１は振動入力部５において圧電素子２に支持さ
れており、可動片４は弾性変形部３によってフリーに支
持されている。さらに、弾性変形部３の表面には、圧電
性を有する圧電薄膜８ａを形成してある。この圧電薄膜
８ａは、ＺｎＯなどの圧電材料を蒸着して形成してあ
る。

【００２１】しかして、この光スキャナＡにあっては、
圧電素子２に交流電圧を印加することによって弾性変形
部３におけるねじれ変形モードの共振周波数ω_T／(２
π)と等しい振動数の振動を振動入力部５に印加する
と、弾性変形部３は共振して当該振動が増幅され、可動
片４がθ_T方向に振動する。可動片４がθ_T方向に回動す
ると、ミラー面６で反射された光ビームは可動片４の走
査角の２倍の角度で走査される。同時に、可動片４が振
動することにより、弾性変形部３の表面に形成されてあ
る圧電薄膜８ａに歪みが加わり、弾性変形部３の表面に
形成された圧電薄膜８ａは、圧電効果により圧電薄膜８
ａの歪みに応じた電圧を発生し、発生する検出電圧は光
スキャナＡの可動片４の振動に対応したものとなる。

【００２２】図２（ａ）（ｂ）には、圧電薄膜８ａに発
生した検出電圧Ｖ(t)と可動片４の振動すなわち可動片
４の走査角θ(t)との関係を示す。ここにおいて、検出
電圧Ｖ(t)の最大値（＋Ｖ₀）、最小値（−Ｖ₀）は、弾
性変形部３の歪みが最大、すなわち可動片４の走査角θ
(t)が最大値（＋θ₀）、最小値（−θ₀）であることを
示している。検出電圧Ｖ(t)と走査角θ(t)とは周波数及
び位相が一致しており、各検出電圧Ｖ(t)が０のとき
は、弾性変形部３に歪みが生じていない状態、すなわち
可動片４の走査角θ(t)が０であることを示す。したが
って、弾性変形部３に形成された圧電薄膜８ａに発生し
た検出電圧の大きさを検知することにより、光スキャナ
Ａの走査位置を決定することができる。

【００２３】図３は、本発明の別な一実施例による光ス
キャナＢを示す。光スキャナＢは、光スキャナＡと同じ
く、薄板状の振動プレート１及び圧電素子２からなる。
振動プレート１は、シリコン製の薄板材等によって形成
されており、この振動プレート１は、ねじれ変形モード
で共振する弾性変形部３、可動片４、振動入力部５が設
けられ、振動入力部５に圧電素子２が接合されている。
この光スキャナＢの可動片４には半導体レーザー等の発
光素子７ａが設けられ、弾性変形部３には圧電薄膜８ａ
が形成されており、光スキャナＡと同様、可動片４が振
動することにより発生する検出電圧は光スキャナＢの可
動片４の振動に対応したものとなる。しかして、可動片
４が、回動させられると、発光素子７ａから出射された
光ビームがθ_T方向に走査され、その走査角は圧電薄膜
８ａによって検出される。

【００２４】図４に示す光スキャナＣは、本発明のさら
に別なる一実施例を示す。圧電薄膜８ａで発生する圧電
効果による電圧は微弱であり、これを増幅させる必要が
あるので、この増幅回路をはじめとして、その他の処理
回路を光スキャナ基板上に一体に形成することができ
る。

【００２５】光スキャナＣは、薄板状の振動プレート１
及び薄板状の固定プレート９及び圧電素子２からなる。
振動プレート１及び固定プレート９は、一枚のシリコン
製の薄板材等により一体に形成され、振動プレート１及
び固定プレート９は、ねじれ変形モードで共振する軸状
の弾性変形部３でつながれ、一体となっている。振動プ
レート１はこの弾性変形部３の一端に可動片４を設け、
他端には固定プレート９が可動片４の外周を囲むように
形成されている。振動プレート１の振動入力部５は固定
プレート９と重複するように形成されており、振動入力
部５には積層型の圧電素子２が接合され、可動片４の表
面には鏡面加工を施すことによってミラー面６が形成さ
れている。また、弾性変形部３には、圧電薄膜８ａを形
成してある。

【００２６】さらに、固定プレート９には、圧電薄膜８
ａで発生した電圧を増幅及び信号処理する信号処理回路
部１０やその検出電圧により可動片４の走査角を求め、
光スキャナＣの走査位置を求める走査位置検出部１１、
さらには光スキャナＣの異常を判定する光スキャナ異常
判定回路部１２などの処理回路を実装し、あるいは半導
体製造技術を用いて作り込んである。

【００２７】上記実施例の各光スキャナにおいては、圧
電薄膜８ａを検知センサとして用いたが、この検知セン
サの代わりに歪みゲージを用いることもできる。図５に
検知センサとして歪みゲージを用いた本発明のさらに別
な実施例による光スキャナＤを示す。光スキャナＤも振
動プレート１及び圧電素子２からなる。振動プレート１
は、シリコン製の薄板材等によって形成されており、弾
性変形部３に歪みにより抵抗率が変化する歪みゲージ８
ｂが形成してある他は、光スキャナＡと同様の構造を有
している。この歪みゲージ８ｂは、圧電体同様、Ｎｉ−
Ｃｒ−Ｓｉやｐｏｌｙ−Ｓｉなどの歪みゲージ部材を蒸
着したり、スパッタリングによる薄膜形成法などにより
形成することができる。

【００２８】ここで、光スキャナＤにおいても、圧電素
子２によって弾性変形部３のねじれ変形モードの共振周
波数ω_T／(２π)と等しい振動数の振動を振動入力部５
に印加すると、可動片４がθ_T方向に振動する。可動片
４が振動することにより、弾性変形部３に形成された歪
みゲージ８ｂに歪みが加わり、歪みゲージ８ｂの歪みの
変化に応じて弾性変形部３に形成された歪みゲージ８ｂ
の抵抗値が変化する。

【００２９】図６（ａ）（ｂ）に、歪みゲージ８ｂの抵
抗値の変化率ΔＲ(t)と可動片４の振動すなわち可動片
４の走査角θ(t)との関係を示す。ここにおいて、抵抗
値の変化率ΔＲ(t)の最大値（ΔＲ₀）は、弾性変形部３
の歪みが最大、すなわち可動片４の走査角が最大値（＋
θ₀）または最小値（−θ₀）の状態を示し、抵抗値の変
化率ΔＲ(t)が０のときは、弾性変形部３に歪みが生じ
ていない状態、すなわち可動片４の走査角θ(t)が０で
あることを示す。したがって、弾性変形部３に圧電薄膜
８ａを設けた場合と同様に弾性変形部３に形成された歪
みゲージ８ｂの抵抗値を検出することにより、光スキャ
ナＤの走査位置を決定することができる。なお、歪みゲ
ージ８ｂの抵抗変化率からは走査方向の判別ができない
が、圧電素子２に印加する駆動電圧を参照することによ
って走査方向の判別は可能である。

【００３０】この実施例においても、光スキャナＣと同
様、歪みゲージ８ｂの抵抗値を電圧または電流に変換す
る変換回路及びその変換信号を増幅する増幅回路などの
処理回路を、一枚の基板から作製された光スキャナ基板
の固定プレート９に設けることも可能である。

【００３１】上述の各実施例においては、ねじれ変形モ
ードによる一軸走査方式について説明した。この一軸走
査の光スキャナにおいて、可動片４の可動状態を検知す
る検知センサは、任意の位置に配置することが可能であ
るが、例えば曲げ変形モード及びねじれ変形モードの２
方向に光ビームを走査する二軸走査を行う光スキャナに
おいては、それぞれの走査方向に対応する検知信号が得
られるように検知センサを配置するのが好ましい。

【００３２】図７には二軸走査の光スキャナにおいて、
検知センサに歪みゲージ８ｂ1、８ｂ2を用いた場合の光
スキャナを示す。光スキャナＥも、薄板状の振動プレー
ト１及び圧電素子２からなり、光スキャナＤと同じ構造
を有しているが、弾性変形部３は、２つの弾性変形モー
ド、ここでは曲げ変形モード及びねじれ変形モードにお
ける弾性変形軸に沿ってそれぞれ、歪みゲージ８ｂ1、
８ｂ2を設けてある。すなわち弾性変形部３の幅方向す
なわち曲げ変形モードの弾性変形軸Ｂに平行して歪みゲ
ージ８ｂ1、弾性変形部３の長手方向すなわちねじれ変
形モードの弾性変形軸Ｔに平行して歪みゲージ８ｂ2を
形成する。

【００３３】今、圧電素子２によって弾性変形部３の曲
げ変形モードの共振周波数ω_B／(２π)と等しい振動数
の振動を振動入力部５に印加すると、弾性変形部３は共
振して当該曲げ変形モードの振動が増幅され、可動片４
がθ_B方向に振動する。さらに、弾性変形部３のねじれ
変形モードの共振周波数ω_T／(２π)と等しい振動数の
振動を振動入力部５に印加すると、弾性変形部３は共振
して当該ねじれ変形モードの振動が増幅され、可動片４
がθ_T方向に振動し、θ_Bとθ_Tの方向に光スキャナ歪み
を発生し、光ビームを２次元状に走査させることができ
る。

【００３４】このとき弾性変形部３に発生している弾性
歪みを、歪みゲージ８ｂ1、８ｂ2の２つの歪みゲージに
よって各方向を分離して検出する。θ_T方向の変形に対
しては、弾性変形部３の幅方向に引っ張り応力が生じる
ので歪みゲージ８ｂ1で歪みを検知することができる。
またθ_B方向の変形に対しては、弾性変形部３の長手方
向に引っ張り、圧縮応力が生じるので歪みゲージ８ｂ2
で歪みを検知できる。このように、２軸走査の光スキャ
ナに応用する場合にはセンサの配置を工夫する必要があ
る。もちろん、ここで示した配置は一例であるので、こ
の他の配置を設けて２方向の可動状態を検知してもよ
い。

【００３５】次に、可動片４の可動状態を検知する検知
センサとして、光スキャナの可動片４に設けた可動電極
１４と該可動片４の近傍に設けた固定電極１６とによ
り、これらの電極１４、１６間の静電容量の変化を検出
することを利用した光スキャナを図８に示す。

【００３６】光スキャナＦは、薄板状の振動プレート１
及び薄板状の固定プレート９及び圧電素子２からなる。
振動プレート１及び固定プレート９は、一枚のシリコン
製の薄板材等により形成され、振動プレート１及び固定
プレート９は、弾性変形部３でつながれ、一体となって
いる。振動プレート１はこの弾性変形部３の一端に可動
片４を設け、他端には固定プレート９が可動片４の外周
を囲むように形成されている。

【００３７】ねじれ変形モードの弾性変形軸Ｔと平行な
可動片４の辺１３には、固定プレート９の内周に対向さ
せて可動電極１４を設け、辺１３に向かい合う固定プレ
ート９の辺１５には、可動電極１４に平行して固定電極
１６を設ける。この時、可動片４及び固定プレート９を
接近させ、可動電極１４及び固定電極１６の間に静電容
量Ｃ₀を生じるようにしておく。

【００３８】ここにおいて、圧電素子２によって弾性変
形部３のねじれ変形モードの共振周波数ω_T／(２π)と
等しい振動数の振動を振動入力部５に印加すると、弾性
変形部３はねじれ変形モードで共振して当該振動が増幅
され、可動片４がθ_T方向に回転する。図９に示すよう
に可動片４が回転することにより、可動電極１４と固定
電極１６との対向する電極面積はＡからＡ´へ変化し、
電極間距離はＤからＤ´へと変化することになる（図
９）。

【００３９】ここで、可動電極１４と固定電極１６との
間で生じる静電容量Ｃ(t)は、可動電極１４と固定電極
１６の電極間距離に反比例し、電極面積に比例する関係
がある。したがって、可動片４が振動することにより、
可動電極１４と固定電極１６との相対する電極面積及び
電極間距離が変化し、可動電極１４と固定電極１６との
間で生じる静電容量Ｃ(t)が変化することになる。した
がってこの静電容量Ｃ(t)を検出することにより、可動
片４の走査角θ(t)すなわち光スキャナＦの走査位置を
検出することができる。

【００４０】図１０に、静電容量Ｃ(t)と可動片４の振
動すなわち可動片４の走査角θ(t)との関係を示す。こ
こにおいて、可動片４の走査角θ(t)が０の時、静電容
量Ｃ(t)は最大値Ｃ₀であり、可動片４の走査角θ(t)が
最大（＋θ₀）、最小（−θ₀）の時に、静電容量Ｃ(t)
は最小値Ｃ_minであることを示す。従って、静電容量Ｃ
(t)は、走査角θ(t)の２倍の周波数で変化し、静電容量
Ｃ(t)の変化を検出することによって直接に走査角θ(t)
を検出することができる。

【００４１】この可動電極１４及び固定電極１６を備え
た振動プレート１及び固定プレート９は、一枚の薄板状
のシリコンウエハよりエッチングにより作製することが
できるが、電極間距離も高精度な異方性エッチングの手
法を適用することで、例えば１０ミクロン程度の設定が
できる。この手法を適用すれば、電極間距離を微小にす
ることができ、それだけ静電容量Ｃ₀を大きくすること
ができる。これにより、走査位置の検出精度を上げるこ
とも可能となる。

【００４２】なお、光スキャナＣの場合と同様に、静電
容量Ｃ(t)を電圧または周波数に変換する変換回路及び
その変換信号を増幅する増幅回路などの処理回路を固定
プレート９に設けることも可能である。

【００４３】また２次状の光走査が可能な光スキャナに
おいて、検知センサに可動電極１４及び固定電極１６間
の静電容量の変化を用いた場合にも、前述のように２方
向への変動を分離して検知できるような電極配置が必要
となる。図１１にその一例を示す。ねじれ変形モードの
弾性変形軸Ｔに平行に、曲げ振動モードの弾性変形軸Ｂ
と各電極の中心とを一致させて、可動片４及び固定プレ
ート９に可動電極１４ａ及び固定電極１６ａが向かい合
うように、可動電極１４ａ及び固定電極１６ａを配置す
る。一方、曲げ変形モードの弾性変形軸Ｂに平行に、ね
じれ振動モードの弾性変形軸Ｔと電極の中心とを一致さ
せて、可動片４及び固定プレート９に可動電極１４ｂ及
び固定電極１６ｂが向かい合うように、可動電極１４ｂ
及び固定電極１６ｂを配置する。この光スキャナＧで
は、ねじれ変形モードの回転方向θ_Tに対しては可動電
極１４ａ及び固定電極１６ａが検知し〔可動電極１４ｂ
及び固定電極１６ｂは、ねじれ変形モードの弾性変形軸
とその中心を一致させてあるので、可動電極１４ｂ及び
固定電極１６ｂで生じる静電容量Ｃ₂(t)は変化しな
い〕、曲げ変形モードの回転方向θ_Bに対しては可動電
極１４ｂ及び固定電極１６ｂが検知する〔可動電極１４
ａ及び固定電極１６ａは、曲げ変形モードの弾性変形軸
とその中心を一致させてあるので、可動電極１４ａ及び
固定電極１６ａで生じる静電容量Ｃ₁(t)は変化しな
い〕。ここで示した電極配置は一例であるので、この他
の配置で構成してもよい。

【００４４】図１２に、本発明による光スキャナを利用
した光学装置Ｈの一実施例を示す。７は光源である半導
体レーザー素子や発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素
子、２１は発光素子７から出射された光ビームαを集光
もしくはコリメート化するための光ビーム成形用のレン
ズ、Ｅは光ビームを２次元的に走査させるための光スキ
ャナ、２２は検出領域からの反射光または散乱光を検出
するフォトダイオード等の受光素子である。２３は光ス
キャナＥの共振周波数信号ａを出力する周波数発生装
置、２４は周波数発生装置２３から出力された共振周波
数信号ａを増幅して光スキャナＥの圧電素子２に印加す
る圧電素子駆動装置（増幅器）、２５は光スキャナＥの
可動片４の可動状態を示す検知センサからの検知信号ｃ
を処理する信号処理回路部、２６は信号処理回路部２５
からのセンサ信号ｄにより周波数発生装置２３への制御
信号ｅを出力する周波数制御回路部、２８は信号処理回
路部２５からのセンサ信号ｄにより光スキャナの異常を
判定する光学装置異常判定回路部、２９は受光素子２２
からの受光信号ｇにより検出物体３０の存在を検知する
物体検出回路部、２７は信号処理回路部２５からのセン
サ信号ｄ及び物体検出回路部２９からの走査位置信号ｆ
により光ビームαの走査角θ(t)を検出する走査位置検
出部である。

【００４５】しかして、光ビームαの走査領域に物体３
０が存在すると、発光素子７から出射され、光スキャナ
Ｅでスキャンニングされた光ビームαが物体３０の表面
に当たって反射され、物体３０で反射した散乱光βが受
光素子２２に受光され、物体３０の存在が検出される。
受光素子２２が受光すると、その受光信号ｇは物体処理
検出回路部２９へ出力される。

【００４６】一方信号処理回路部２５は、検知センサか
らの検知信号ｃを受け取ると、可動片４の可動状態を示
すセンサ信号ｄを出力する。この入力されたセンサ信号
ｄおよび走査位置信号ｆに基づき、走査位置検出部２７
は、受光素子２２が受光した瞬間のセンサ信号ｄを読み
取り、これを座標に変換して物体３０の２次元的な位置
を検出する。

【００４７】次に信号処理回路部２５より出力されたセ
ンサ信号ｄを受信した周波数制御回路部２６は、入力さ
れたセンサ信号ｄをもとに求められた可動片４の振動周
波数と周波数発生装置２３の設定周波数が異なっていれ
ば、周波数発生装置２３へ制御信号ｅを出力し、設定周
波数となるように周波数信号ａをフィードバック調整す
る。また、センサ信号ｄをもとに求められた可動片４の
走査位置と圧電素子２に印加している交流電圧ｂの位相
のずれが、所定のずれ（π／２）と異なっていれば、周
波数発生装置２３へ制御信号ｅを出力し、位相のずれが
π／２となるように周波数信号ａを調整することによ
り、圧電素子２の周波数が共振周波数と等しくなるよう
自動調節することもできる。

【００４８】また光学装置異常判定回路部２８は、信号
処理回路部２５から出力されたセンサ信号ｄをもとに求
められた可動片４の振動周波数と圧電素子２に印加して
いる共振周波数とのずれがある一定の異常レベル（周波
数の差）を越えていないか、または、可動片４の走査位
置と圧電素子２に印加している交流電圧ｂの位相のずれ
がある一定の異常レベル（位相差）を越えていないか、
また、可動片４の最大走査角が所定の角度（θ₀）より
も小さくないかなど、振動波形を分析することにより、
光スキャナＥの走査状態の異常を判定し、異常と判定す
ればアラームを発生したり、光スキャナの作動を止める
という処理を行なう。なお、上記光学装置Ｈは、例え
ば、２次元領域型の光電センサやバーコードリーダー等
に用いることができる。

【００４９】

【発明の効果】本発明の光学装置によると、可動片の回
動状態を検知する検知センサを設けたので、可動片の回
動状態を直接に検知することができる。このため、駆動
源の駆動電圧信号と光学装置の走査位置の位相のずれを
考慮することなく、光学装置の走査位置を正確に知るこ
とができる。また、温度変化が激しいような周囲環境下
において、光学装置の共振周波数に変化を生じたり、駆
動回路が温度に不安定なため、光学装置の共振状態から
ずれた場合であっても、走査位置を正確に測定すること
ができる。したがって、本発明の光学装置を利用するこ
とで、測定誤差を少なく走査位置を高精度に検出でき、
適用範囲を広げられる。

【００５０】また、半導体レーザー素子や発光ダイオー
ド（ＬＥＤ）等の発光素子を光学装置上に設けることが
できるため、新たにこれらの発光素子を光学装置から離
れた場所に設ける必要がなく、光学装置をより小型化す
ることができる。また、光学装置に、受光素子を備える
ことにより、前記可動片から放たれる（出射もしくは反
射される）光ビームを対象物体に照射すると共に、該対
象物体からの反射光を受光させることとすれば、小型の
光走査センサとしての応用が可能になる。

【００５１】さらに、これらの光学装置に、２つの弾性
変形モードを有する弾性変形部を持たせることとすれ
ば、この２つの弾性変形モードに対する共振振動を印加
し、光ビームを２方向に走査することができるので、２
次元の光走査センサとして適用できる。

【００５２】ここで、光学装置の可動片の可動状態を検
知する検知センサとして、圧電性を有する薄膜センサ
を光学装置の弾性変形部上に設けること、歪みにより
抵抗率が変化する歪みゲージを光学装置の弾性変形部上
に設けること、あるいは、光学装置の可動片および該
可動片の近傍に電極を設けることとしたので、可動片の
共振振動によってその検知センサに生じる電圧の変化、
抵抗値の変化あるいは静電容量の変化のいずれかを検知
することにより、可動片の可動状態を直接検知すること
ができ、走査位置を正確に知ることができる。しかも、
これらの検知センサは、光学装置に比べ小さなものであ
るため、光学装置上または光学装置近傍に設けることが
可能であり、光学装置を大きくする必要もなく、光学装
置を小型のままで走査精度を向上させることができる。

【００５３】上述の検知センサにより光学装置の可動片
の可動状態を直接計測しているため、検知センサの検知
信号を基に、前記可動片を駆動させている駆動源の駆動
電圧信号の駆動周波数を調整することや、駆動電圧信号
と光学装置の走査位置の位相ずれを上記駆動電圧信号の
調整をすることで、光学装置を安定に走査させることが
でき、しかも、光学装置の故障判定を行なうなどの自己
故障診断を行なわせることもできるため、光学装置の信
頼性を高めることが可能になる。

【００５４】さらにシリコン基板から弾性変形部、可動
片及び振動入力部を作製すると共に、該シリコン基板上
に光学装置の可動片の可動状態を検知するセンサからの
検知信号を処理する回路等の信号処理回路を形成するこ
とにより、この信号処理回路を別に取り出して設ける必
要がなく、光学装置をさらに小型化でき、しかもこれら
の信号処理回路を基板上に一体形成することができるた
め、本発明の光学装置を容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による光スキャナを示す斜視
図である。

【図２】同上の実施例における圧電薄膜の検知電圧と走
査角の関係を示す図である。

【図３】本発明の別な実施例による光スキャナを示す斜
視図である。

【図４】本発明のさらに別な実施例による光スキャナを
示す斜視図である。

【図５】本発明のさらに別な実施例による光スキャナを
示す斜視図である。

【図６】同上の実施例における歪みゲージの抵抗変化率
と走査角の関係を示す図である。

【図７】本発明のさらに別な実施例による光スキャナを
示す図である。

【図８】本発明のさらに別な実施例による光スキャナを
示す斜視図である。

【図９】同上の電極部分を示す一部破断した断面図であ
る。

【図１０】同上の実施例における電極間の静電容量と走
査角の関係を示す図である。

【図１１】本発明のさらに別な実施例による光スキャナ
を示す正面図である。

【図１２】本発明の別な実施例による光学装置を示す概
略構成図である。

【図１３】駆動電圧の周波数と光スキャナの走査角の振
幅との関係を示す図、および駆動電圧の周波数とその走
査角との位相のずれとの関係を示す図である。

【図１４】光スキャナの駆動電圧と走査角との関係を示
す図である。

【符号の説明】

３弾性変形部４可動片７，７ａ発光素子８ａ圧電薄膜８ｂ歪みゲージ９固定プレート１０，２５信号処理回路部１４可動電極１６固定電極２２受光素子２６周波数制御回路部２７走査位置検出部２８光学装置異常判定回路部

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１つの弾性変形モードを有す
る弾性変形部と、前記弾性変形部の一端に設けられ前記弾性変形部の弾性
変形モードに応じて可動する可動片と、前記弾性変形部の他端に設けられ前記弾性変形部に振動
を伝える振動入力部と、前記振動入力部に前記弾性変形モードに対する共振振動
を印加する駆動源と、光源と、前記可動片の可動状態を検知するセンサとを備え、前記可動片を共振振動させると共に光源からの光ビーム
を前記可動片で反射させることにより光ビームを走査す
る光学装置において、前記可動片の可動状態を検知するセンサは、圧電性を有
する圧電薄膜が前記弾性変形部上に設けられ、該弾性変
形部の弾性変形によって発生する電圧信号に基づいて、
可動片の可動状態を検知することを特徴とする光学装
置。
【請求項２】少なくとも１つの弾性変形モードを有す
る弾性変形部と、前記弾性変形部の一端に設けられ前記弾性変形部の弾性
変形モードに応じて可動する可動片と、前記弾性変形部の他端に設けられ前記弾性変形部に振動
を伝える振動入力部と、前記振動入力部に前記弾性変形モードに対する共振振動
を印加する駆動源と、前記可動片上に形成された発光素子と、前記可動片の可動状態を検知するセンサとを備え、前記可動片を共振振動させると共に前記発光素子から光
ビームを出射させることにより光ビームを走査する光学
装置において、前記可動片の可動状態を検知するセンサは、圧電性を有
する圧電薄膜が前記弾性変形部上に設けられ、該弾性変
形部の弾性変形によって発生する電圧信号に基づいて、
可動片の可動状態を検知することを特徴とする光学装
置。
【請求項３】少なくとも１つの弾性変形モードを有す
る弾性変形部と、前記弾性変形部の一端に設けられ前記弾性変形部の弾性
変形モードに応じて可動する可動片と、前記弾性変形部の他端に設けられ前記弾性変形部に振動
を伝える振動入力部と、前記振動入力部に前記弾性変形モードに対する共振振動
を印加する駆動源と、光源と、前記可動片の可動状態を検知するセンサとを備え、前記可動片を共振振動させると共に光源からの光ビーム
を前記可動片で反射させることにより光ビームを走査す
る光学装置において、前記可動片の可動状態を検知するセンサは、該可動片に
設けた可動電極と該可動片の近傍に設けた固定電極とに
より、これらの電極の静電容量の変化を検出することに
よって前記可動片の可動状態を検知することを特徴とす
る光学装置。
【請求項４】少なくとも１つの弾性変形モードを有す
る弾性変形部と、前記弾性変形部の一端に設けられ前記弾性変形部の弾性
変形モードに応じて可動する可動片と、前記弾性変形部の他端に設けられ前記弾性変形部に振動
を伝える振動入力部と、前記振動入力部に前記弾性変形モードに対する共振振動
を印加する駆動源と、前記可動片上に形成された発光素子と、前記可動片の可動状態を検知するセンサとを備え、前記可動片を共振振動させると共に前記発光素子から光
ビームを出射させることにより光ビームを走査する光学
装置において、前記可動片の可動状態を検知するセンサは、該可動片に
設けた可動電極と該可動片の近傍に設けた固定電極とに
より、これらの電極の静電容量の変化を検出することに
よって前記可動片の可動状態を検知することを特徴とす
る光学装置。
【請求項５】前記弾性変形部は２つの弾性変形モード
を有し、振動入力部にこれら２つの弾性変形モードに対
する共振振動を印加することにより前記可動片を２方向
に共振振動させ、２方向に光ビームを走査することを特
徴とする請求項１、２、３または４に記載の光学装置。
【請求項６】さらに受光素子を備え、前記可動片から
放たれる光ビームを対象物体に照射すると共に、該対象
物体からの反射光を受光することを特徴とする請求項
１、２、３、４または５に記載の光学装置。
【請求項７】前記可動片は単結晶シリコン基板から作
製され、該単結晶シリコン基板から該可動片と一体で作
製された固定部に前記固定電極を設けたことを特徴とす
る請求項３または４に記載の光学装置。
【請求項８】前記可動片の可動状態を検知するセンサ
の信号をもとに、前記光ビームの走査位置を決定するこ
とを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７
に記載の光学装置。
【請求項９】前記可動片の可動状態を検知するセンサ
の信号をもとに、前記駆動源の制御を行うことを特徴と
する請求項１、２、３、４、５、６または７に記載の光
学装置。
【請求項１０】前記可動片の可動状態を検知するセン
サーの信号をもとに、異常を判定することを特徴とする
請求項１、２、３、４、５、６または７に記載の光学装
置。
【請求項１１】シリコン基板から弾性変形部、可動
片、及び振動入力部を作製すると共に、該シリコン基板
上に信号処理回路を形成したことを特徴とする請求項
１、２、３、４、５、６、７、８、９または１０に記載
の光学装置。