JP2003295102A - 揺動型２次元走査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 互いに異なる二方向の走査を揺動によって行
う揺動型２次元走査装置において、主走査と副走査との
速度比を高く設定可能とする。 【解決手段】 揺動型２次元走査装置において、振幅を
可変することで機構部に副走査動作を行わせる。ＸＹ方
向の振幅比を維持したまま振幅を漸減させると、走査経
路は符号２４ａ，２４ｂ，２４ｃで示すように移行し、
これにより、視野の外側から内側へと副走査βが行われ
る。副走査βの速度は、主走査αの速度とは無関係に可
変できるから、振幅の変化によって副走査動作を行うこ
とにより、機構上の制約とは無関係に、主走査αと副走
査βの任意の速度比を得ることができ、自由度の高い走
査を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、互いに異なる第１
の方向および第２の方向に揺動する可動子を備えた揺動
型２次元走査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、レーザ式などの測定装置における
走査機構として、磁界中のコイルへの通電によって生ず
る電磁力を利用して２次元方向に動作する揺動型２次元
走査装置が提案されている。

【０００３】この揺動型２次元走査装置は、図９に示さ
れる機構部１１０と、図示しない制御部とから構成され
ている。機構部１１０は、外周コイルが形成された枠体
１０１の内側に、内周コイルが形成されたミラーパネル
１０２を配置し、これらミラーパネル１０２と枠体１０
１とを、互いに直交する方向に延設されたトーションバ
ー１０３，１０４によりそれぞれ揺動自在に保持してな
る可動子１０５を、永久磁石１０６による磁界中に配置
したものである。

【０００４】ミラーパネル１０２の内周コイルに電流Ｉ
Ａを流すと、磁界の成分ＢＡとの相互作用によって電流
値に応じた力ＦＡが生じ、ミラーパネル１０２をトーシ
ョンバー１０３の復元力に釣り合う位置まで旋回させ
る。また枠体１０１の外周コイルに電流ＩＢを流すと、
磁界の成分ＢＢとの相互作用によって電流値に応じた力
ＦＢが生じ、枠体１０１をトーションバー１０４の復元
力に釣り合う位置まで旋回させる。このようにしてミラ
ーパネル１０２が、Ｘ・Ｙの２方向にそれぞれ揺動す
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この揺動の
周波数を、ミラーパネル１０２や可動子１０５の質量・
形状とトーションバー１０３，１０４の弾性率などによ
って定まるミラーパネル１０２や可動子１０５の固有振
動周波数に等しく設定する場合には、ミラーパネル１０
２や可動子１０５の共振により、小電力で大きい運動が
得られるため特に好適である。

【０００６】しかし、このような共振型の揺動型２次元
走査装置によって、図１０に示すようなラスタスキャン
（すなわち、主走査α方向に速く副走査β方向に遅い２
次元走査動作）を行うことを考えた場合、主走査αと副
走査βとの速度比を大きくするために、主走査方向（例
えばＸ方向）と副走査方向（例えばＹ方向）との揺動の
周波数比を大きく設定する必要がある。しかし、揺動の
周波数比を大きく設定するには、ミラーパネル１０２の
寸法の縦横比を大きくする必要があって寸法上の制約に
必ずしも合致せず、またトーションバー１０３，１０４
の弾性率比を大きくするにも、両者の材質を互いに異な
らせるのは部品増や工程増を招くし、両者の寸法を互い
に異ならせるのは寸法上の制約があって容易でない。

【０００７】このため、このような共振型の揺動型２次
元走査装置では、例えばＸ方向・Ｙ方向の周波数比を
５：６に（ならびに位相差を９０°に）とることで、図
３において符号５４で示すような経路の走査を行わざる
を得ず、測定領域の中央付近の領域の解像度（走査密
度）が粗いなど、測定の自由度が低いという欠点があっ
た。

【０００８】そこで本発明の目的は、互いに異なる二方
向の走査を揺動によって行う揺動型２次元走査装置にお
いて、主走査と副走査との速度比を高く設定できるよう
にすることにある。

【０００９】

【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、互いに異なる第１の方向および第２
の方向に揺動する少なくとも１つの可動子を備えた機構
部と、前記機構部を制御する制御部と、を備えた揺動型
２次元走査装置であって、前記制御部は、前記第１の方
向と前記第２の方向の少なくとも一方の揺動の振幅を可
変することで前記機構部に副走査動作を行わせることを
特徴とする揺動型２次元走査装置である。

【００１０】理解の容易のために、仮に第１の方向と第
２の方向を互いに直交するＸＹの２方向とし、揺動をい
ずれも単振動とすると、互いに異なる二方向の走査を揺
動によって行う場合の走査経路は、周知のリサジュー図
形（Lissajous figures）を描く。例えばＸＹ方向の周
波数比を１：２、位相差を６０°とした場合の走査経路
は、図３において符号２４で示すとおりとなる。

【００１１】ここで第１の本発明では、制御部が、機構
部の第１の方向と第２の方向の少なくとも一方の揺動の
振幅を可変することで機構部に副走査動作を行わせるの
で、例えば振幅を漸減させることによって、図４におい
て符号２４ａ，２４ｂ，２４ｃで示すように、視野の外
側から内側へと副走査βを行うことができる。この副走
査βの速度は、主走査αの速度とは無関係に可変でき
る。このように第１の本発明では、振幅の変化によって
副走査動作を行うことにより、機構上の制約とは無関係
に、主走査α（この例では、符号２４で示される経路）
と副走査βの任意の速度比を得ることができ、自由度の
高い走査を実現できる。

【００１２】第２の本発明は、請求項２に記載のとお
り、互いに異なる第１の方向および第２の方向に揺動す
る少なくとも１つの可動子を備えた機構部と、前記機構
部を制御する制御部と、を備えた揺動型２次元走査装置
であって、前記制御部は、前記第１の方向と前記第２の
方向の揺動の位相差を可変することで前記機構部に副走
査動作を行わせることを特徴とする揺動型２次元走査装
置である。

【００１３】第２の本発明では、制御部が、機構部の第
１の方向と第２の方向の揺動の位相差を可変することで
前記機構部に副走査動作を行わせるので、例えば位相差
を漸減させることによって、図３において符号２４で示
される経路から、符号２３，２２，２１で示す経路へ
と、視野の外側から内側に向かう副走査を行うことがで
きる。この副走査の速度は、主走査の速度とは無関係に
可変できる。このように第２の本発明では、位相差の変
化によって副走査動作を行うことにより、機構上の制約
とは無関係に、主走査（この例では、符号２４で示され
る経路）と副走査の任意の速度比を得ることができ、自
由度の高い走査を実現できる。

【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２次元走査装置で
あって、前記第１の方向と前記第２の方向の揺動の周波
数を１：１としたことを特徴とする揺動型２次元走査装
置である。

【００１５】第３の本発明では、第１の方向と第２の方
向の揺動の周波数を１：１としたことにより、走査経路
が図３において符号１４で示されるように、円（あるい
は、振幅比が１：１でない場合や、位相差が９０°でな
い場合には、楕円）になる。このように走査経路が円ま
たは楕円になることの利点は、走査の１周期において走
査経路の交差が生じないことにある。すなわち第３の本
発明では、走査経路の交差が生じないことにより、視野
内における走査密度の不均衡を抑制できる。

【００１６】第４の本発明は、請求項４に記載のとお
り、請求項１ないし３のいずれか１に記載の揺動型２次
元走査装置であって、前記可動子を利用した送信または
受信の頻度を、前記揺動の振幅が大から小に向かうに従
って漸減させることを特徴とする揺動型２次元走査装置
である。

【００１７】例えば、仮にＸＹ２方向の周波数比を１：
１、位相差を９０°、振幅比を１：１とした場合の走査
経路は符号１４のとおり円形となるが、ここで例えば振
幅比を１：１に保ったままＸＹ両方向の振幅を共に漸減
させた場合の走査経路は、図５に示されるとおりの渦巻
状（ないしは、振幅指示信号の指示値をステップ的に変
化させ、かつ機構部の動作に十分高い応答性ないし追従
性がある場合には、図６に示されるような同心円状）と
なる。ここで、走査中に一定時間ごとのサンプリングを
行う場合には、走査経路におけるサンプリング点ｐの間
隔が、走査経路の収縮に伴って小さくなるため、視野の
外側の領域と内側の領域との間で、サンプリング点ｐの
空間的密度に不均衡を生じることが考えられる。この
点、第４の本発明では、前記可動子を利用した送信また
は受信の頻度を、揺動の振幅が大から小に向かうに従っ
て漸減（図７参照）させたので、視野内におけるサンプ
リング点ｐの空間的密度の不均衡を抑制できる。

【００１８】第５の本発明は、請求項５に記載のとお
り、請求項１ないし４のいずれか１に記載の揺動型２次
元走査装置であって、前記可動子が単一の可動子であ
り、当該可動子に一体的にミラーが固定され、前記第１
の方向および第２の方向が互いに直交することを特徴と
する揺動型２次元走査装置である。

【００１９】第５の本発明では、可動子が単一の可動子
であるため第１の方向と第２の方向との走査の基準点を
一致させることができ、可動子に一体的にミラーが固定
された反射型の構造としたので他の素子を可動子に固定
する場合に比して可動子を小型軽量化でき、また第１の
方向および第２の方向が互いに直交することとしたの
で、直交座標系を用いた使用に好適に適用できる。

【００２０】

【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。本発明の実施形態に
係る揺動型２次元走査装置は、図１に示される機構部１
０と、図２に示される制御部６０とを含んで構成されて
いる。

【００２１】図１において、機構部１０は、外周コイル
が形成された枠体１の内側に、内周コイルが形成された
ミラーパネル２を配置し、これらミラーパネル２と枠体
１とを、互いに直交する方向に延設されたトーションバ
ー３，４によりそれぞれ揺動自在に保持してなる可動子
５を、永久磁石６による磁界中に配置したものである。
ミラーパネル２の表面にはミラー部７が形成されてい
る。トーションバー３を軸とした旋回方向をＸ方向、ト
ーションバー４を軸とした旋回方向をＹ方向とすると、
Ｘ方向の旋回面とＹ方向の旋回面とは互いに直交してい
る。

【００２２】したがって、ミラーパネル２の内周コイル
に電流ＩＡを流すと、磁界の成分ＢＡとの相互作用によ
って電流値に応じた力ＦＡが生じ、ミラーパネル２をト
ーションバー３の復元力に釣り合う位置まで、図中Ｘ方
向に旋回させる。また枠体１の外周コイルに電流ＩＢを
流すと、磁界の成分ＢＢとの相互作用によって電流値に
応じた力ＦＢが生じ、枠体１をトーションバー４の復元
力に釣り合う位置まで、図中Ｙ方向に旋回させる。この
ようにしてミラーパネル２が、Ｘ・Ｙの互いに直交する
２方向にそれぞれ揺動する。

【００２３】図２において、制御部６０は、ミラー駆動
回路６１、Ｘ方向およびＹ方向の角度検出回路６２ａ，
６２ｂ、レーザ駆動回路６３、および演算処理部６４を
含んで構成されている。

【００２４】ミラー駆動回路６１は、機構部１０に電流
ＩＡ，ＩＢを供給することで機構部１０を制御する。角
度検出回路６２ａ，６２ｂは、機構部１０への給電がオ
フされた際の各コイルの姿勢の復帰に伴う各コイルから
の誘起起電力を検出することで、給電がオフされる直前
の機構部１０の旋回角度を２次元方向についてそれぞれ
算出し、これをフィードバック信号として演算処理部６
４に出力する。

【００２５】レーザ駆動回路６３は、適宜箇所に固定さ
れたレーザダイオード７０へのパルス信号の給電により
これを駆動する。レーザダイオード７０の光軸は、機構
部１０のミラー部７の中心に向けられている。なお、レ
ーザダイオード７０とミラー部７との間の光路中には、
測定対象からの反射波を抽出するためのビームスプリッ
タ光学系（図示せず）が介装されている。

【００２６】演算処理部６４は、その詳細は図示しない
が、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、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備え
ている。演算処理部６４は、制御部６０の各部の制御を
行うほか、外部からの操作信号を取得し、また距離演算
部（図示せず）に対して、ミラー部７のＸ・Ｙ各方向の
現在の角度とレーザ光のパルス信号の位相とを出力す
る。なお距離演算部では、反射波の位相との位相差に所
定の係数を乗じて、測定対象までの距離を角度別（方向
別）に演算することで、方向別の距離情報を算出する。

【００２７】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、Ｘ方向に対する電流
出力としてＩＡ＝Ａｃｏｓ（ｎｔ）、Ｙ方向に対する電
流出力としてＩＢ＝Ｂｃｏｓ（ｍｔ＋δ）の正弦波信号
を、駆動信号としてそれぞれ出力する。ここでＡ，Ｂは
振幅、ｎ，ｍは周波数、ｔは時刻、δは位相差である。
周波数ｎ，ｍは、それぞれミラーパネル２および可動子
５の固有振動周波数に等しくする。この場合には、Ｘ方
向・Ｙ方向の揺動がいずれも単振動であるから、揺動に
よって形成される走査経路は、周知のリサジュー図形
（Lissajous figures）を描く。

【００２８】第１の制御例は、振幅を可変することで機
構部１０に副走査動作を行わせるものである。いま、例
えばＸＹ方向の周波数比（ｎ／ｍ）を１：２、位相差δ
を６０°とした場合の走査経路は、図３において符号２
４で示すとおりとなる。ここで、制御部６０の出力によ
り、機構部１０のＸＹ方向の振幅比（Ａ／Ｂ）を維持し
たまま、ＸＹ方向の振幅Ａ，Ｂを共に漸減させると、走
査経路は図４において符号２４ａ，２４ｂ，２４ｃで示
すように移行し、これにより、視野の外側から内側へと
副走査βが行われる。この第１の制御例では、副走査β
の速度を、主走査αの速度とは無関係に可変できるか
ら、振幅の変化によって副走査動作を行うことにより、
機構上の制約とは無関係に、主走査αと副走査βの任意
の速度比を得ることができ、自由度の高い走査を実現で
きる。

【００２９】第２の制御例は、位相差δを可変すること
で機構部１０に副走査動作を行わせるものである。い
ま、制御部６０の出力により、機構部１０のＸＹ方向の
振幅比（Ａ／Ｂ）および周波数比（ｎ／ｍ）を維持した
まま、ＸＹ方向の位相差δを漸減させると、走査経路は
図４において符号２４の状態から符号２３，２２，２１
で示すように移行し、これにより、視野の外側から内側
へと副走査が行われる。この第２の制御例では、副走査
の速度を、主走査の速度とは無関係に可変できるから、
位相差δの変化によって副走査動作を行うことにより、
機構上の制約とは無関係に、主走査と副走査の任意の速
度比を得ることができ、自由度の高い走査を実現でき
る。

【００３０】第３の制御例は、Ｘ方向とＹ方向の揺動の
周波数を１：１として行われる。この場合の走査経路
は、図３に符号１４で示されるように、円（位相差δが
９０°でない場合には、楕円）になる。この第３の制御
例では、走査経路が円または楕円になるため、走査の１
周期において走査経路の交差が生じないことにより、視
野内における走査密度の不均衡を抑制することができ
る。

【００３１】次に、振幅比を１：１に保ったまま、ＸＹ
両方向の振幅を共に漸減させる。この場合の走査経路
は、図５に示されるような渦巻状（ないしは、振幅指示
信号の指示値をステップ的に変化させ、かつ機構部１０
の動作に十分高い応答性ないし追従性がある場合には、
図６に示されるような同心円状）となる。ここで、走査
中に一定時間ごとのサンプリングを行う場合には、走査
経路におけるサンプリング点ｐの間隔が、走査経路の収
縮に伴って小さくなるため、視野の外側の領域と内側の
領域との間で、サンプリング点ｐの空間的密度に不均衡
を生じることが考えられる。そこで第３の制御例では、
レーザパルスの送信の頻度を、揺動の振幅が大から小に
向かうに従って漸減（図７参照）させる。したがって第
３の制御例では、視野内におけるサンプリング点ｐの空
間的密度の不均衡を抑制することができる。

【００３２】なお、第３の制御例における振幅比を常時
１：１とする代わりに、振幅比を他の比率にすることに
より、視野（走査領域）を縦長や横長の楕円形とするこ
とができる。すなわち、本発明の構成を利用して、振幅
比を変更することにより、用途や目的に応じて、縦長領
域や横長領域など任意の注目領域を容易に選択すること
ができる。

【００３３】また、上記実施形態の各制御例における振
幅の変更方法はどのような順序であってもよいが、振幅
を例えば正弦波のように、漸増と漸減を繰り返すように
周期的に設定すれば、機構部１０の応答性ないし追従性
に拘わらず良好な動作を行うことができ好適である。ま
た位相についても、同様に漸増と漸減を繰り返すなど、
連続的に可変させるのが好適である。

【００３４】以上のとおり説明した実施形態では、可動
子５が単一の可動子であるため、Ｘ方向とＹ方向との走
査の基準点を、ミラー部７の中心点で一致させることが
できる。また上記実施形態では、可動子５に一体的にミ
ラー部７が形成された反射型の構造としたので、発光素
子や受光素子などの他の素子を可動子５に固定する場合
に比して可動子５を小型軽量化でき、共振周波数を上げ
ることができる。また上記実施形態では、揺動の方向を
互いに直交するＸ方向およびＹ方向としたので、直交座
標系を用いた使用に好適に適用できる。

【００３５】なお、上記実施形態では、単一の可動子５
を二方向に揺動させる構成としたが、本発明における可
動子は単一でなくてもよい。すなわち、図８に示す変形
例のとおり、上記第１実施形態におけるミラーパネル２
とトーションバー４とに相当する単動型（１軸型）の機
構部１１０ａ，１１０ｂを、両者の揺動方向が直交する
ように略対向させて設置し、それぞれを電流ＩＡ，ＩＢ
の出力側に接続すると共に、第１実施形態におけるもの
と同様の制御部６０・レーザダイオード７０を利用して
同様に制御することにより、第１実施形態と同様の効果
を得ることができる。

【００３６】また、上記実施形態では可動子５またはミ
ラーパネル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、揺動であれば正弦波振動であ
る必要はない。また、上記実施形態では本発明における
第１の方向と第２の方向を互いに直交するＸＹの２方向
としたが、他の角度でもよい。また、第１の方向と第２
の方向の周波数比は、上記に例示したもの以外にも各種
のものを選択でき、例えば１：３、２：３、５：６を選
択してもよい。また、本発明および上記各制御例にいう
１：１、１：２、１：３、２：３、５：６などの周波数
比は、その値を中心とした所定の誤差範囲内にあるもの
を含む。

【００３７】また、上記実施形態およびその変形例で
は、揺動の周波数と可動子またはミラーパネルの固有振
動周波数とが略等しい共振型の機構部１０を利用した
が、本発明は動作周波数と可動子の固有振動周波数が無
関係に定められた非共振型の機構部（ガルバノミラー機
構）についても適用が可能である。

【００３８】また、上記実施形態では、可動子５に一体
的にミラー部７を設けた構成としたが、可動子５に固定
される部材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
学部材を可動子に固定してもよい。

【００３９】また上記実施形態では、光パルス式の測距
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】 本発明の実施形態に係る機構部の概略構成を
示す斜視図である。

【図２】 機構部および制御部を示すブロック図であ
る。

【図３】 周波数比、位相差を変化させた場合の走査経
路を示す説明図である。

【図４】 第１の制御例に係る走査経路を示す説明図で
ある。

【図５】 第３の制御例に係る走査経路の一例を示す説
明図である。

【図６】 第３の制御例に係る走査経路の他の一例を示
す説明図である。

【図７】 第３の制御例における振幅と時間あたりパル
ス数（送信頻度）との関係を示すグラフである。

【図８】 変形例に係る機構部および制御部を示すブロ
ック図である。

【図９】 本発明による改良前の機構部の概略構成を示
す斜視図である。

【図１０】 ラスタスキャンにおける走査経路を示す説
明図である。

【符号の説明】

１，１０１ 枠体、２，１０２ ミラーパネル、３，
４，１０３，１０４ トーションバー、５，１０５ 可
動子、６，１０６ 永久磁石、７，１０７ ミラー部、
１０，１１０ 機構部、６０ 制御部、６４ 演算処理
部、７０ レーザダイオード、ｐ サンプリング点。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 互いに異なる第１の方向および第２の方
   向に揺動する少なくとも１つの可動子を備えた機構部
   と、前記機構部を制御する制御部と、を備えた揺動型２
   次元走査装置であって、 前記制御部は、前記第１の方向と前記第２の方向の少な
   くとも一方の揺動の振幅を可変することで前記機構部に
   副走査動作を行わせることを特徴とする揺動型２次元走
   査装置。
2. 【請求項２】 互いに異なる第１の方向および第２の方
   向に揺動する少なくとも１つの可動子を備えた機構部
   と、前記機構部を制御する制御部と、を備えた揺動型２
   次元走査装置であって、 前記制御部は、前記第１の方向と前記第２の方向の揺動
   の位相差を可変することで前記機構部に副走査動作を行
   わせることを特徴とする揺動型２次元走査装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の揺動型２次元
   走査装置であって、 前記第１の方向と前記第２の方向の揺動の周波数を１：
   １としたことを特徴とする揺動型２次元走査装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれか１に記載の
   揺動型２次元走査装置であって、 前記可動子を利用した送信または受信の頻度を、前記揺
   動の振幅が大から小に向かうに従って漸減させることを
   特徴とする揺動型２次元走査装置。
5. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれか１に記載の
   揺動型２次元走査装置であって、 前記可動子が単一の可動子であり、当該可動子に一体的
   にミラーが固定され、前記第１の方向および第２の方向
   が互いに直交することを特徴とする揺動型２次元走査装
   置。