JP3191403B2

JP3191403B2 - 光スキャナ

Info

Publication number: JP3191403B2
Application number: JP12821892A
Authority: JP
Inventors: 裕樹加守田; 博史後藤
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1992-04-20
Filing date: 1992-04-20
Publication date: 2001-07-23
Anticipated expiration: 2016-07-23
Also published as: JPH05297307A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光スキャナに関する。具
体的にいうと、本発明は、例えばレーザビームプリンタ
やバーコードリーダ等において、光ビームを一次元また
は二次元状に走査させる光スキャナに関する。

【０００２】

【従来の技術と問題点】光学部品の小型軽量化の要求に
応じるため、出願人は、単結晶シリコン基板をエッチン
グして作製した小型軽量の振動子（縦横各１５ｍｍ、厚
さ０.１５ｍｍ、重量０.０８ｇ）を圧電素子で共振させ
るようにした超小型の２次元方向に走査可能な光スキャ
ナを提案した。

【０００３】この従来例の光スキャナを図８に示す。こ
の光スキャナ５１に使用される振動子５２は、曲げ方向
（θ_Ｂ方向）及びねじれ方向（θ_Ｔ方向）に弾性変形モ
ードを有する弾性変形部５３の一端に振動入力部５４を
設け、他端に光ビーム反射用のスキャン部５５を設け、
スキャン部５５の片袖部にスキャン部５５の慣性モーメ
ントを増大させるための慣性モーメント発生翼５６を形
成したものである。この振動子５２の振動入力部５４に
は圧電素子５７が取り付けられており、弾性変形部５３
の曲げ変形モードの共振周波数ｆ_Ｂと等しい周波数の振
動を圧電素子５７から振動入力部５４に印加すると、ス
キャン部５５がθ_Ｂ方向に回動し、弾性変形部５３のね
じれ変形モードの共振周波数ｆ_Ｔと等しい周波数の振動
を圧電振動子５７から振動入力部５４に印加すると、ス
キャン部５５がθ_Ｔ方向に回動する。しかして、スキャ
ン部５５に光ビームを照射していると、反射光がθ_Ｂ方
向もしくはθ_Ｔ方向に走査される。

【０００４】しかしながら、図８のような光スキャナ５
１にあっては、圧電素子５７の振幅が一定値以上になる
と、光スキャナ５１の走査角が飽和し、圧電素子５７の
振幅を大きくしても一定値以上に走査角を増大させるこ
とができなかった（本発明の実施例と比較して後述す
る；図２）。これは振動子５２の可動部分に空気抵抗が
働いているためであり、空気抵抗の低減が光スキャナ５
１の走査角の拡大に有効である、との知見に本発明の発
明者らは達した。

【０００５】すなわち、断面積Ａの物体が空気密度ρの
空気中を速度Ｖで横切るとき、当該物体が受ける空気抵
抗Ｄは、抗力係数（空力定数）をＣとして、Ｄ＝（1/2）ＣρＶ^２・Ａで表わされるから、図９に示すように、スキャン部５５
及び慣性モーメント発生翼５６の面素をｄＡとし、スキ
ャン部５５の角速度をωとし、スキャン部５５の回転軸
（例えばＰ軸）から面素ｄＡまでの距離をｒとすると、
スキャン部５５には、次の数式１で表わされる空気抵抗
Ｄが働く。

【０００６】

【数１】

【０００７】この空気抵抗によってスキャン部５５の回
転が抑制される結果、空気中に置かれた光スキャナ５１
では大きな走査角を得ることができなかった。

【０００８】したがって、光スキャナの走査角を拡大す
るためには、空気抵抗Ｄを小さくすることが必要であ
り、そのためには、空気密度ρを小さくする、可動
部分の面積を小さくする、スキャン部の角速度ωを小
さくする、といった３通りの方法が考えられる。

【０００９】しかしながら、の角速度ωを小さくする
方法では、光スキャナの高速動作が抑制される結果とな
るため、実用的でないという欠点がある。

【００１０】そこで、本発明の発明者らは、内部を真空
ないし低圧にしたケース内に光スキャナを真空封入する
の方法を考えた。そして、曲げ変形モード及びねじれ
変形モードの可能なシリコン基板製の振動子（厚さｔ＝
１００μｍ、弾性変形部の長さＬ＝３ｍｍ）を有する光
スキャナに１０Ｖの駆動電圧を印加し、光スキャナの周
囲の気圧を常圧（７６０Torr）から０.１Torrまで減圧
し、各気圧で光スキャナの走査角を測定した。図１０は
こうして得た光スキャナの周囲の気圧と光スキャナの走
査角との関係を示しており、また、左側のスケールは常
圧の走査角を１とする走査角拡大率を表わしている。図
１０によれば、光スキャナの走査角は、真空度１Torr前
後でその振る舞いが異なっている。これは、気圧が１To
rrよりも低下すると、雰囲気の状態が粘性流領域から分
子流領域に変化したためと考えられる。

【００１１】この測定結果より光スキャナの走査角を増
大させるためには、光スキャナを真空封入する方法が効
果的であると考えられた。しかしながら、図１０の曲線
によれば、封入真空度が１Torr以下（気圧≧１Torr）で
はあまり効果がなく、真空度が１Torr以上（気圧≦１To
rr）では真空度の微妙な変化に対して走査角が大きく変
化してしまい、走査角が不安定になり易いという欠点が
ある。また、光スキャナを真空封入する方法では、経年
的な真空漏れを防止するのが難しく、製造工程の増加に
伴って大幅にコストが上昇する。このため、最終的に
は、真空封入は実用的でないとの結論に達した。

【００１２】また、の方法として、図１１に示すよう
に慣性モーメント発生翼５６に空気抵抗除荷用の穴５９
を開口した光スキャナ５８を試みた。光スキャナにおい
ては可動部分が弾性変形部を中心として回転運動をする
ので、可動部分に働く空気抵抗は回転中心からの距離ｒ
とその面素ｄＡの総和∫ｒ^２ｄＡで効いてくる。すなわ
ち、空気抵抗を低減させるためには、∫ｒ^２ｄＡを最小
にする必要がある。しかしながら、図１１の光スキャナ
５８のように慣性モーメント発生翼５６に穴５９を開口
した構造では、回転中心からの距離ｒの大きな部分に慣
性モーメント発生翼（外側縁部分）が残っているため、
従来構造の約２倍の走査角しか得られなかった（本発明
の実施例と比較して後述する；図３）。

【００１３】したがって、空気抵抗を最小にしようとす
れば、慣性モーメント発生翼を除去してスキャン部を回
転軸近傍のミラー部分だけで構成すればよい。しかし、
この場合には、慣性モーメント発生翼がなくなるため、
弾性変形部の振動に必要な慣性力の発生が抑制され、期
待されたほど走査角を拡大することができなかった。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】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、スキャン部が回動時に受ける空気抵抗を小さく
すると共に慣性モーメントの減少防止もしくは増加を図
ることにより、大きな走査角を得ることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の光スキ
ャナは、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、印加され
た振動を前記弾性変形部に伝える振動入力部と、前記弾
性変形部の他端に設けられ、前記弾性変形部の弾性変形
モードに応じて回動するスキャン部と、前記振動入力部
に振動を印加する加振源を備えた光スキャナにおいて、
前記スキャン部を前記弾性変形部の軸心に対して左右対
称の形状で、かつ、回転による粘性流体抵抗を受けにく
い形状とし、スキャン部の粘性流体抵抗を増加させるこ
となく、かつ、スキャン部の慣性モーメントを増大させ
るための重りをスキャン部に設けたことを特徴としてい
る。

【００１６】請求項２に記載の光スキャナは、請求項１
に記載の光スキャナにおける前記重りを、発光素子、受
光素子、レンズ等の光学部品によって形成したことを特
徴としている。

【００１７】

【作用】請求項１に記載の光スキャナにあっては、前記
スキャン部の形状を回転による粘性流体抵抗を受けにく
い形状としているから、走査角の拡大を図ることができ
る。さらに、スキャン部の粘性流体抵抗を増加させるこ
となく、かつ、スキャン部の慣性モーメントを増大させ
るための重りを、スキャン部に設けているから、スキャ
ン部の粘性流体抵抗を増加させることなく、スキャン部
の慣性モーメントの減少を補償することができる。ある
いは、慣性モーメントを従来よりも増加させることもで
きる。したがって、粘性流体抵抗が小さく、かつ、慣性
モーメントの大きな光スキャナを製作することができ
る。

【００１８】請求項２に記載の光スキャナにあっては、
請求項１に記載した前記重りとして発光素子や受光素
子、レンズ等の光学部品を用いているから、部品の共通
化を図ることができる。

【００１９】

【実施例】図１に本発明の一実施例による光スキャナ１
を示す。この光スキャナ１に用いられている振動子２
は、曲げ変形モードとねじれ変形モードを有するトーシ
ョンバー状の弾性変形部３の一端に振動入力部４を設
け、他端にスキャン部５を設けたものであって、シリコ
ン基板を加工したものである。スキャン部５は、弾性変
形部３の軸心Ｐに対してほぼ左右対称な形状となってお
り、その表面には鏡面加工されたミラー面６が形成さ
れ、裏面の側端部には重り７が取り付けられている。し
たがって、スキャン部５は、従来の光スキャナ５１の慣
性モーメント発生翼５６を除去した形状となっている。
スキャン部５の大きさは、回動しながら光ビームを反射
させられるだけの面積のミラー面６を形成することがで
きればよく、できるだけ小さくして（例えば、縦横各５
ｍｍ以下）空気抵抗が十分無視できるようにすることが
好ましい。また、振動入力部４は圧電素子等の加振源８
に固定されている。

【００２０】しかして、加振源８により弾性変形部３の
曲げ変形モードの共振周波数ｆ_Ｂ又は／及びねじれ変形
モードの共振周波数ｆ_Ｔと等しい周波数の振動を振動入
力部４へ印加すると、弾性変形部３が当該弾性変形モー
ドで振動し、スキャン部５を曲げ方向（θ_Ｂ方向）又は
／及びねじれ方向（θ_Ｔ方向）に回動させる。このと
き、スキャン部５のミラー面６に光ビームが照射されて
いると、反射された光ビームはスキャン部５の回動角の
２倍の走査角で走査される。

【００２１】上記のような光スキャナ１においては、ス
キャン部５の外形寸法をできるだけ小さくすることによ
りスキャン部５の受ける空気抵抗を小さくしているが、
スキャン部５自体は弾性変形部３に対してほぼ左右対称
な形状をしているので、θ_Ｔ方向にスキャン部５を回動
させる慣性モーメントがほとんど発生しない。また、θ
_Ｂ方向の慣性モーメントも、図８のような構造の光スキ
ャナ５１より小さくなり、十分な走査角を期待できな
い。しかし、スキャン部５の縁に重り７を取り付けるこ
とにより、スキャン部５の外形寸法を大きくすることな
く（したがって、空気抵抗を増大させることなく）、ス
キャン部５自体の慣性モーメントの減少を補償してスキ
ャン部５の受ける慣性モーメントを増加させることがで
き、スキャン部５の回動角を増大させることができる。
また、この重り７の重量や取り付け位置を調整すること
により、スキャン部５の慣性モーメントを調整すること
ができる。

【００２２】図２に示すものは、本発明の実施例による
光スキャナ１と従来例の光スキャナ５１（図８）におけ
る加振源８の振幅ｘと各光スキャナ１の走査角との関係
を示す図である。ここで用いた光スキャナ１は、（１１
０）面シリコン基板から得た振動子２に幅１５０μｍ、
長さ３ｍｍ、厚み１５０μｍの弾性変形部３を形成し、
スキャン部５に３０ｇの重り７を２個取り付けたもので
ある。この光スキャナ１に曲げ変形モードの共振周波数
ｆ_Ｂ＝１５５Ｈｚと等しい周波数の振動を印加してスキ
ャン部５を回動させた場合、走査角と加振源８の振幅と
の関係は曲線イのようになった。また、光スキャナ１に
ねじれ変形モードの共振周波数ｆ_Ｔ＝５２６Ｈｚと等し
い周波数の振動を印加してスキャン部５を回動させた場
合、走査角と加振源８の振幅との関係は曲線ロのように
なった。

【００２３】一方、従来例の光スキャナ５１は、（１１
０）面シリコン基板から得た振動子５２に幅１５０μ
ｍ、長さ３ｍｍ、厚み１５０μｍの弾性変形部５３を形
成し、スキャン部５５に適当な慣性モーメント発生翼５
６を設けたものである。この光スキャナ５１に曲げ変形
モードの共振周波数ｆ_Ｂ＝２５０Ｈｚと等しい周波数の
振動を印加してスキャン部５５を回動させた場合、走査
角と加振源５７の振幅との関係は曲線ハのようになっ
た。また、光スキャナ５１にねじれ変形モードの共振周
波数ｆ_Ｔ＝１０２Ｈｚと等しい周波数の振動を印加して
スキャン部５５を回動させた場合、走査角と加振源５７
の振幅との関係は曲線ニのようになった。

【００２４】図２によると、従来の光スキャナ５１を表
わす曲線ハ及びニでは、加振源５７の振幅を大きくして
も走査角は飽和し、大きな走査角を得ることができな
い。これに対し、実施例の光スキャナ１を表わす曲線イ
及びロでは、走査角が飽和せず、加振源５７の小さな振
幅で大きな走査角を得ることができた。

【００２５】このように十分な走査角を得るのに、加振
源８の振幅を小さくすることができたので、加振源８を
駆動するための駆動電圧が従来の約１／１０で済み、低
電圧駆動を実現できた。

【００２６】また、図３は従来の光スキャナ５１を基準
とし、慣性モーメント発生翼５６に穴を開口した図１１
のような光スキャナ５８及び本実施例の光スキャナ１の
曲げ変形モード駆動時及びねじれ変形モード駆動時にお
ける空気抵抗と走査角拡大率を示している。すなわち、
横軸は、従来の光スキャナ５１における空気抵抗を１と
した時の空気抵抗を表わしており、縦軸は従来の光スキ
ャナ５１における走査角を１とした時の走査角を示して
いる。したがって、従来の光スキャナ５１は横軸の空気
抵抗Ｄ＝１の上に位置している。この図３によれば、図
１１の光スキャナ５８では、走査角は従来の光スキャナ
５１の２倍程度にしかならないが、本実施例の光スキャ
ナ１では空気抵抗が最小限に抑えられ、また、十分な慣
性力も得られるので、従来構造の光スキャナ５１の７倍
以上の走査角を得ることができた。

【００２７】また、本発明の光スキャナ１にあっては、
振動子２の面積を小さくしているので、光スキャナ１自
体の大きさも小さくなり、より超小型の光スキャナ１を
実現できる。さらに、１枚のシリコンウエハから取り出
せる振動子２の枚数が増加し、生産効率が向上する。

【００２８】図４に示すものは、本発明の別な実施例に
よる光スキャナ１１であって、圧電素子８ａの一端もし
くは両端に変位拡大機構１２を設けて加振源８を構成し
たものである。この変位拡大機構１２は、ブリッジ状も
しくはドーム状に形成されていて圧電素子８ａとの間に
空間ｓを形成されており、圧電素子８ａの横方向歪を縦
方向歪に変換すると共に歪を増幅する働きをする。した
がって、この変位拡大機構１２を設けられた加振源８
は、圧電素子８ａの縦方向変位と圧電素子８ａの横方向
歪から変換された縦方向変位とを重畳して出力すること
ができ、小さな駆動電圧によって大きな振動を出力する
ことができる。よって、このような加振源８を用いるこ
とにより、小さな駆動電圧により大きな走査角を得るこ
とができる。

【００２９】この光スキャナ１１によれば、十分な走査
角を得るのに必要な加振源８の振幅をより小さくできる
ので、加振源８を駆動するための駆動電圧が従来の約１
／２０で済むようになった。

【００３０】図５に本発明のさらに別な実施例による光
スキャナ１３を示す。この光スキャナ１３は、ミラー面
６によって光ビームを反射するものでなく、自ら光を出
射する機能を備えている。すなわち、略左右対称な形状
をした小さなスキャン部５の側端部に半導体発光素子１
４及び受光素子１５を搭載し、スキャン部５の側端縁に
略Ｌ形をした透明な補助片１６を取り付け、補助片１６
の先端部に設けられたマイクロフレネルレンズのような
微小な２個のレンズ１７，１７を発光素子１４及び受光
素子１５と対向させている。

【００３１】しかして、この光スキャナ１３は、小型の
光走査型センサ等として用いられるものであって、発光
素子１４から光ビームを出射すると、光ビームはレンズ
１７によってコリメートもしくは集光され、スキャン部
５のθ_Ｔ方向もしくはθ_Ｂ方向の回動に伴って走査され
る。この光スキャナ１３から出射されている走査光は対
象物（例えば、バーコードラベル等）によって反射さ
れ、再びレンズ１７を通して受光素子１５で受光され
る。

【００３２】この光スキャナ１３にあっては、発光素子
１４、受光素子１５及びレンズ１７，１７は光ビームを
出射及び受光する光学的な（あるいは、センサヘッド
の）機能を果たしているだけでなく、弾性変形部３の回
転中心から少しはずれた位置に配置されていてそれらの
重量によってスキャン部５の慣性モーメントを増大させ
るための重り７としての機能も有しており、別途重り７
を設ける必要がない。

【００３３】図６は本発明のさらに別な実施例による光
スキャナ１８を示す一部分解した斜視図である。この光
スキャナ１８にあっては、スキャン部５の側縁部に重り
７の位置決め用ガイド溝１９を形成し、重り７にガイド
溝１９と噛み合う嵌合部２０を突設してあり、重り７の
嵌合部２０をスキャン部５のガイド溝１９に嵌合させて
位置決めした状態でスキャン部５に重り７を取り付けて
いる。

【００３４】重り７を後からスキャン部５に接着する場
合には、重り７の接着位置がずれ易く、重り７の接着位
置がずれると、重り７の位置の微妙な違いによってスキ
ャン部５の慣性モーメントが変化し、光スキャナの共振
周波数が変化する。従って、重り７の位置決め精度が重
要となり、本実施例では、重り７の嵌合部２０とスキャ
ン部５のガイド溝１９によって重り７の位置決めを行な
っているので、重り位置の再現性が向上し、慣性モーメ
ントの精度を向上させることができる。この結果、光ス
キャナ１８の歩留りを向上させることができる。

【００３５】図７に示すものは本発明のさらに別な実施
例による光スキャナ２２を示す斜視図である。この光ス
キャナ２２はねじれ変形モードのみが可能な自由度１の
光スキャナであって、２本の弾性変形部３がスキャン部
５を挟んで直線状に配置されており、両弾性変形部３の
端部がスキャン部５と一体となっており、両弾性変形部
３の他端間に略Ｃ形をした振動入力部４が設けられてお
り、振動入力部４の中央部に圧電素子のような加振源８
が取り付けられている。このスキャン部５は、空気抵抗
を小さくするよう小さな面積にしてあり、側縁に取り付
けた重り７によって慣性モーメントを得ている。なお、
この光スキャナ２２にあっても、図６の実施例と同様ス
キャン部５に設けたガイド溝１９に重り７の嵌合部２０
を嵌合させることによって重り７を位置決めさせるよう
にしてもよい。

【００３６】

【発明の効果】請求項１に記載の光スキャナにあって
は、スキャン部の形状を弾性変形部の軸心に対して左右
対称な形状で、かつ回転による粘性流体抵抗を受けにく
い形状とし、スキャン部の粘性流体抵抗を増加させるこ
となく、かつ、スキャン部の慣性モーメントを増大させ
るための重りを、スキャン部に設けているから、スキャ
ン部の形状の工夫により走査角の拡大を図ることがで
き、しかも重りによって、スキャン部の粘性流体抵抗を
増加させることなく、スキャン部の慣性モーメントの減
少を補償し、あるいは慣性モーメントを増加させること
ができる。したがって、粘性流体抵抗が小さく、かつ、
慣性モーメントの大きな光スキャナを製作することがで
き、光スキャナの走査角の上限値を大きくすることがで
きる。さらに、請求項１に記載の光スキャナによれば、
弾性変形部の軸心に対して左右対称な形状のスキャン部
に重りを設けて慣性モーメントを大きくしているから、
スキャン部の外形寸法を小さくすることができる。

【００３７】また、請求項１に記載の光スキャナによれ
ば、加振源からの小さな入力振動によって大きな走査角
を得ることができるので、同じ値の走査角を達成するの
に加振源の駆動電圧が小さくて済み、低電圧駆動を実現
できる。

【００３８】請求項２に記載の光スキャナによれば、請
求項１に記載した前記重りとして発光素子や受光素子、
レンズ等の光学部品を用いているから、光スキャナを多
機能化できるうえ、部品の共通化を図ることができる。
そして、部品の共通化を図ることにより光スキャナを小
型にできると共に製作も容易になり、コストも安価にな
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】同上の実施例による光スキャナと従来の光スキ
ャナにおける、駆動源の振幅と走査角との関係を示す図
である。

【図３】同上の実施例による光スキャナと比較例による
光スキャナと従来例の光スキャナにおける、空気抵抗と
走査角拡大率の関係を示す図である。

【図４】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】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７】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８】従来の光スキャナを示す斜視図である。

【図９】光スキャナが受ける空気抵抗を説明するための
図である。

【図１０】光スキャナの周囲の気圧と走査角（あるい
は、走査角拡大率）との関係を示す図である。

【図１１】比較例による光スキャナを示す斜視図であ
る。

【符号の説明】

２振動子３弾性変形部４振動入力部５スキャン部７重り８加振源１４発光素子１５受光素子１７レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 26/10

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、印加された振動を前
記弾性変形部に伝える振動入力部と、前記弾性変形部の他端に設けられ、前記弾性変形部の弾
性変形モードに応じて回動するスキャン部と、前記振動入力部に振動を印加する加振源を備えた光スキ
ャナにおいて、前記スキャン部を前記弾性変形部の軸心に対して左右対
称の形状で、かつ、回転による粘性流体抵抗を受けにく
い形状とし、スキャン部の粘性流体抵抗を増加させることなく、か
つ、スキャン部の慣性モーメントを増大させるための重
りをスキャン部に設けたことを特徴とする光スキャナ。
【請求項２】前記重りが、発光素子、受光素子、レン
ズ等の光学部品からなることを特徴とする請求項１に記
載の光スキャナ。