JP4203260B2 - 揺動型走査装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、揺動可能に保持された可動子に光学素子を備えた揺動型走査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザ式の測距装置などにおける走査機構として、磁界中のコイルへの通電によって生ずる電磁力を利用した揺動型走査装置が提案されている。
【０００３】
この揺動型走査装置は、図４に示される機構部１０と、図示しない制御部とから構成されている。機構部１０は、コイルが形成された平板状の可動子１の上面にミラー２を形成し、この可動子１をトーションバー３により揺動自在に保持すると共に、永久磁石４による磁界中に配置したものである。
【０００４】
可動子１のコイルに電流ＩＡを流すと、永久磁石４による磁界とコイルによる磁界との相互作用によって電流値に応じた力ＦＡが生じ、可動子１をトーションバー３のねじり方向の弾性変形に対する復元力（弾性力）に釣り合う位置まで旋回させる。
【０００５】
また、この揺動の周波数を、可動子１の質量・形状やトーションバー３の弾性率などによって定まる可動子１の固有振動周波数に等しく設定する構成（いわゆる共振型ガルバノミラー機構）とした場合には、可動子１の共振により、高速で走査でき且つ小電力で大きい運動が得られるため特に好適である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、走査装置による光量は、強度と時間との積で表されるところ、上記従来の構成では、可動子１の運動が単振動であるため、可動子１の速度が遅くなる２つの停止姿勢の近傍の領域に比して、可動子１の速度が最大となる中立姿勢の領域では、光量が不足することになる。このような光量の変化は、２つの停止姿勢の近傍の領域と中立姿勢の領域との間の信号対雑音比（ＳＮ比）の不均衡を生じさせ、また、例えば対象物における反射光量に応じて傷の大きさを検出する探傷装置の場合には、誤検出を生じさせていた。
【０００７】
そこで本発明の目的は、揺動によって走査を行う揺動型走査装置において、その構造に由来した制約を解消し、可動子の角度にかかわらず均一な光量で照射することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明は、請求項１に記載のとおり、通電用のコイルが形成されると共に上面にミラーが形成された平板上の可動子を、永久磁石による磁界中に配置し、前記可動子をトーションバーにより揺動自在に保持した構成の機構部を備え、対象物を照射する揺動型走査装置において、前記可動子の速度に応じて、前記照射の強度を変化させる出力制御部と、可動子の現在角度を検出する角度検出手段と、を更に備え、前記角度検出手段は、前記機構部への給電がオフされた際の前記可動子の姿勢の復帰に伴うコイルからの誘導起電力を検出し、その逆起電力の正負が変化する点を検出してタイミング信号を出力し、前記出力制御部は、前記角度検出手段からのタイミング信号の受信をトリガとし、前記機構部の定常状態における時刻と照射の強度とが互いに関連付けて記憶された強度テーブルから読み出された各時刻における所定の強度値に従い、前記可動子の速度に応じて光量を補填することを特徴とする揺動型走査装置である。
【０００９】
第１の本発明では、出力制御部が、可動子の速度に応じて照射の強度を変化させ、強度の変化により、可動子の速度が大きい場合の光量の低下を補償するので、可動子の角度にかかわらず均一な光量で照射できる。また、可動子の現在角度に基づいた正確な制御を実行できる。
【００１０】
第２の本発明は、請求項２に記載のとおり、請求項１に記載の揺動型走査装置であって、前記出力制御部が、前記可動子が２つの停止姿勢の間の中立姿勢からいずれかの停止姿勢に至るまで、前記強度を漸減させることを特徴とする揺動型走査装置である。
【００１１】
第２の本発明では、中立姿勢の近傍において揺動（旋回）速度が最大となる構造において、可動子の角度にかかわらず均一な光量で照射できる。
【００１４】
第３の本発明は、請求項３に記載のとおり、請求項１または２に記載の揺動型走査装置であって、前記可動子が弾性体を介して基準位置に保持されると共に、前記可動子の揺動を制御する揺動制御部を更に備え、当該揺動制御部が、前記可動子をその固有振動周波数に略等しい周波数で駆動することを特徴とする揺動型走査装置である。
【００１５】
第３の本発明では、いわゆる共振型ガルバノミラー機構において本発明の効果を実現できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施形態について、以下に図面に従って説明する。図１において、本発明の実施形態に係る揺動型走査装置は、照射対象となる照射平面５０をレーザ光で線方向に照射するものである。
【００１７】
機構部１０は、上記従来例のものと同様であり、揺動する平板状の可動子１を備えている。レーザダイオードＬＤは、図示しない筐体の適宜箇所に固定されており、その光軸は、可動子１の図中下面側に形成された平板状のミラー２の中心点に向けられている。
【００１８】
ミラー駆動回路２１は、発振回路２０からのクロックパルス信号に基づいて、機構部１０の可動子１のコイルに電流ＩＡを供給することで機構部１０を制御する。角度検出回路２２は、機構部１０への給電がオフされた際の可動子１の姿勢の復帰に伴うコイルからの誘起起電力を検出することで、可動子１の現在の位置（旋回角度）を算出し、タイミング信号として出力する。レーザ強度変調信号発生回路２３は、角度検出回路２２からのタイミング信号に基づいて、レーザ駆動／変調回路２４にレーザ強度変調信号を出力する。レーザ駆動／変調回路２４は、レーザダイオードＬＤへの給電によりこれらを駆動する。角度検出回路２２およびレーザ強度変調信号発生回路２３は、照射光量均一化回路２５を構成する。
【００１９】
なお、発振回路２０からレーザ駆動／変調回路２４までを含む制御系は、ハードウェア的にはＣＰＵ（中央処理装置）を中心としたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、動作プログラムや処理プログラムを記憶させたＲＯＭと、データやプログラムを一時的に保持するＲＡＭと、入出力インターフェイスとを含んでいる。また、この制御系のＲＯＭにおける所定のアドレスには、機構部１０の動作の定常状態における時刻と可動子１の角度とを互いに関連づけて記憶させた時間テーブル、および定常状態における時刻と照射の強度とを互いに関連づけて記憶させた強度テーブルを、予め格納しておく。
【００２０】
以上のとおり構成された実施形態の動作について説明する。本実施形態では、ミラー駆動回路２１からの駆動信号として、ＩＡ＝Ａｃｏｓ（２πｎｔ）の正弦波電流が機構部１０に出力され、これによって可動子１が揺動する。ここでＡは振幅、ｎは周波数、ｔは時間である。周波数ｎは、可動子１の固有振動周波数に等しくする。可動子１の揺動に対応して、レーザダイオードＬＤが点灯され、これによって照射平面５０における左停止点Ｌ、中立点Ｃ、および右停止点Ｒの間の領域が、図中左右方向に走査される。左停止点Ｌおよび右停止点Ｒは、可動子１の動作方向が反転する折り返し点に対応し、中立点Ｃは左停止点Ｌと右停止点Ｒとの中間点である。
【００２１】
ここで、本実施形態では、可動子１の速度に対応する可動子１の位置（回動角度）に応じて、レーザダイオードＬＤの照射の強度を変化させ、可動子１の速度に応じた光量の低下を補償する光量補償制御が行われる。
【００２２】
まず、可動子１の速度に対応する線走査速度は、図２に示される左停止点Ｌから漸増し、中立点Ｃで最大となった後漸減して、右停止点Ｒで０となる。そして逆方向の揺動により線走査速度が負になると共に、その絶対値は漸増し、中立点Ｃで最大となった後漸減して、左停止点Ｌで０となる。以上が揺動の１周期における線走査速度の変化である。
【００２３】
ここで、機構部１０のコイルからは、可動子１の角度に対応（比例）した逆起電力が得られるので、逆起電力が０を挟んで正から負へ（または、負から正へ）と変化する点（以下適宜ゼロクロス点ＺＣという）を検出することにより、可動子１が停止姿勢に到達したタイミングを検出することができる。
【００２４】
すなわち、本実施形態では、角度検出回路２２においてゼロクロス点ＺＣが検出されたことを条件にタイミング信号が出力され、レーザ強度変調信号発生回路２３においては、このタイミング信号の受信をトリガとして、上述の強度テーブルの参照により、各時刻における強度指令値が読み出され、レーザ駆動／変調回路２４に出力される。レーザ駆動／変調回路２４では、この強度指令値に従って駆動信号が変調され、レーザダイオードＬＤからは強度指令値どおりの光量でレーザ光が出力される。
【００２５】
なお、図２に示されるレーザ強度変調信号は、逆起電力信号が負となる時間領域においては強度指令値がゼロクロス点ＺＣを挟んで正側に反転され、その結果レーザ光は、ゼロクロス点ＺＣで極小値をとりながら脈動的に変化することになる。
【００２６】
以上のとおり、本実施形態では、レーザ強度変調信号発生回路２３が、可動子１の速度に応じて照射の強度を変化させ、強度の変化により、可動子１の速度に応じた光量の低下を補償するので、可動子１の角度にかかわらず均一な光量で照射できる。すなわち、本発明による改良前の構成においては、光量は図２において一点鎖線Ｂで示されるように中立点Ｃの近傍で極小値をとる脈流であったところ、本実施形態によれば上記光量補償制御により、実線Ａで示されるように光量を一定値にすることができる。
【００２７】
また本実施形態では、レーザ強度変調信号発生回路２３が、可動子１が中立姿勢（中立点Ｃ）からいずれかの停止姿勢（左停止点Ｌまたは右停止点Ｒ）に至るまで、強度を漸減させるので、中立姿勢（中立点Ｃ）の近傍において揺動（旋回）速度が最大となる構造においても、可動子１の角度にかかわらず均一な光量で照射できる。
【００２８】
また本実施形態では、角度検出回路２２が逆起電力により検出した角度に基づいて、レーザ強度変調信号発生回路２３が強度を制御するので、可動子１の現在角度に基づいた正確な制御を実行できる。
【００２９】
なお、上記実施形態では、レーザ光の強度をレーザダイオードＬＤへの電流値の可変によって制御するが、供給電流値の変更によって照射強度を変更することが困難な光源、例えばガスレーザのような光源を用いる場合には、光源への供給電流値を一定にしておき、外部変調器を利用して、照射強度の制御を外的に行うこととしてもよい。すなわち、このような変形例では、図３に示すように、レーザ光源ＬＥと可動子１との間の光路中に、外部変調器２６を介装し、この外部変調器２６に、レーザ強度変調信号発生回路２３からの信号を入力する。またレーザ駆動回路２７は、一定値の電流をレーザ光源に常時供給する。外部変調器２６としては、電気信号により光学的な異方性を生じさせる電気光学効果素子や、結晶材料と圧電素子とを組み合わせてなる光の回折を生じさせる音響光学素子、あるいは光強度を無段階的に調整できる液晶シャッタなどを利用するのが好適であって、これらの構成によっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３０】
また、上記実施形態では、レーザ強度変調信号発生回路２３をディジタル回路として構成としたが、これをアナログ回路として構成してもよい。その場合には例えば、逆起電力信号を帯域フィルタで濾波すると共に増幅回路で増幅し、位相調整回路・整流回路・バイアス調整回路を通じて処理することにより、図２におけるレーザ強度変調信号の破線ａの領域をゼロクロス点ＺＣから反転させ且つバイアス電流Ｉ０を加えることでレーザ強度変調信号を得るのが好適であって、これらの構成によっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３１】
また、上記実施形態では、可動子１またはミラー２の揺動をいずれも単振動としたが、本発明における可動子の運動は、揺動すなわち往復動であれば正弦波振動である必要はない。
【００３２】
また、上記実施形態では、角度検出回路２２が逆起電力を利用して可動子１の位置を検出することとしたが、本発明における角度検出手段は可動子の角度を検出できるものであれば他の構成でもよい。すなわち、角度検出手段は例えば、可動子１による光束の遮断を検出する構成としたり、あるいは、上記実施形態における可動子１の裏面側に平板状の裏面ミラーを更に形成し、この裏面ミラーにレーザを照射しつつ、その反射側に対向して設けられた受光素子で反射光を検出する構成とすることができる。
【００３３】
また、上記実施形態では、レーザ強度変調信号発生回路２３におけるレーザ強度変調信号の信号発生タイミングを、角度検出回路２２からのタイミング信号に基づいて決定したが、このような構成に代えて、これを発振回路２０からのクロックパルス信号に基づいて決定する構成としてもよい。
【００３４】
また、本発明は、トーションバー３のような弾性変形部材によって可動子１の支持・可動子１の変位の許容と復元動作とが行われる形式の走査装置において特に好適に適用できるが、同様の構成を、弾性変形部材によらずに可動子を支持する構造の揺動型走査装置や、可動子をその共振周波数とは無関係に動作させる形式の非共振型の機構部（ガルバノミラー機構）について適用することも可能である。
【００３５】
また上記各実施形態では、可動子１を一方向に揺動させる構成としたが、本発明における可動子は２以上の複数方向に揺動するものであってもよい。特に、互いに直交する２方向に可動子が揺動する形式の機構部について本発明を適用することも可能であり、この場合には２次元の走査が可能であることから、本発明による効果を画像再生装置や、３次元の測距装置・形状測定装置などにおいて実現できる。
【００３６】
また、上記実施形態では、可動子１に一体的にミラー２を設けた構成としたが、可動子１に固定ないし一体的に形成される光学素子は、走査動作に関与する部材であれば他の部材でもよく、例えば発光素子、受光素子または透光性の光学部材を可動子１に固定しても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、可動子１に一体的に光学素子を形成する透過型の構成としては、上述した外部変調器を可動子１に一体的に設けてもよい。
【００３７】
また上記各実施形態では、レーザ式の照射装置や測距装置に本発明を適用した例について説明したが、本発明は他の方式の測距装置や、画像入力装置、画像再生装置、複写機、レーザ加工装置など、走査動作を必要とするどのような装置にも適用でき、かかる構成も本発明の範疇に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図２】 線走査速度・逆起電力信号・レーザ強度変調信号および照射光量を示すタイミング図である。
【図３】 外部変調器を用いた変形例の概略構成を示すブロック図である。
【図４】 本発明の実施形態および従来例に係る機構部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 可動子、２ ミラー、３ トーションバー、４ 永久磁石、１０ 機構部、２０ 発振回路、２１ ミラー駆動回路、２２ 角度検出回路、２３ レーザ強度変調信号発生回路、２４ レーザ駆動／変調回路、２５ 照射光量均一化回路、２６ 外部変調器、２７ レーザ駆動回路、Ｃ 中立点、Ｌ 左停止点、Ｒ右停止点、ＬＤ レーザダイオード。

Claims (3)

1. 通電用のコイルが形成されると共に上面にミラーが形成された平板上の可動子を、永久磁石による磁界中に配置し、前記可動子をトーションバーにより揺動自在に保持した構成の機構部を備え、対象物を照射する揺動型走査装置において、
   前記可動子の速度に応じて、前記照射の強度を変化させる出力制御部と、
   可動子の現在角度を検出する角度検出手段と、を更に備え、
   前記角度検出手段は、前記機構部への給電がオフされた際の前記可動子の姿勢の復帰に伴うコイルからの誘導起電力を検出し、その逆起電力の正負が変化する点を検出してタイミング信号を出力し、前記出力制御部は、前記角度検出手段からのタイミング信号の受信をトリガとし、前記機構部の定常状態における時刻と照射の強度とが互いに関連付けて記憶された強度テーブルから読み出された各時刻における所定の強度値に従い、前記可動子の速度に応じて光量を補填することを特徴とする揺動型走査装置。
2. 請求項１に記載の揺動型走査装置であって、前記出力制御部が、前記可動子が２つの停止姿勢の間の中立姿勢からいずれかの停止姿勢に至るまで、前記強度を漸減させることを特徴とする揺動型走査装置。
3. 請求項１または２に記載の揺動型走査装置であって、前記可動子が弾性体を介して基準位置に保持されると共に、前記可動子の揺動を制御する揺動制御部を更に備え、当該揺動制御部が、前記可動子をその固有振動周波数に略等しい周波数で駆動することを特徴とする揺動型走査装置。

Images