JP3767577B2

JP3767577B2 - スキャン装置

Info

Publication number: JP3767577B2
Application number: JP2003152627A
Authority: JP
Inventors: 克明安井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2023-05-29
Also published as: US6989919B2; US20040233497A1; JP2004354719A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザや電磁波、音波等の波動を走査するためのスキャン装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のスキャン装置としては、たとえば、次の構成のものが知られている。すなわち、離れた位置にあるバーコードを横切って光ビームを走査することによりバーコードを読み取るスキャナの走査機構であって、光ビームがバーコードを走査するように光ビームを変位させるミラーと、このミラーを回動可能に支持する板ばねを備えている。板ばねは、くの字型に折れ曲がった形状をなし、ミラーはこのくの字の折れ曲がり部に固定されている。
【０００３】
この板ばねのくの字型の一側の平面部に電磁石により力を作用させることによって、ミラーを回動させる。そして、ミラーの回動中心である割りピンと、電磁石による板ばね上の力の作用点とを異ならせて、電磁石の力を回転力に変換している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−１３９８３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来のスキャン装置は、上述のようにくの字型に折り曲げた平板バネを使用している。そして、この平板バネは、折り曲げ位置を中心として、両側に形成される平面部は、完全な平面とされることが望ましい。しかしながら、製造上の精度の問題から、完全な平面となることはなく、３次元的にやや中央が膨れた形状になってしまう。その様な平板バネを曲げ変形させると、中立位置付近を越えて湾曲する際にペコッと不連続な力が発生するため、なめらかな回動運動が得にくいという課題が有った。
【０００６】
また、中央部に折り曲げ部が形成されており、その位置にミラーが取り付けられているために、精密なプレス加工が必要であるという課題も有った。さらに、平板バネをくの字型に成型して用いているために、場所を取るという課題も有った。
【０００７】
この発明は、上述の課題を解決するためになされたもので、簡単でコンパクトな構造をなし、さらになめらかな回動運動をすることができるスキャン装置を得ることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明のスキャン装置は、中間部を弓状に撓ませた状態で両端を固定された平板状の弾性体と、上記弾性体の上記中間部に固定され、所定の方向から到来する波動の方向を変える反射または屈折する偏向器と、上記弾性体の一端部に主面を密着させて固定され他端部の方向に沿って伸縮する駆動手段とを備え、前記駆動手段の駆動による、ユニモルフ効果によって、前記中間部での接線の回動により前記偏向器も回動するようになっている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１のスキャン装置の正面図である。本実施の形態のスキャン装置１００は、弓状に両端を固定された平板状の弾性体である平板バネ１１と、この平板バネ１１の概略中央部に支持された偏向器であるミラー１２と、平板バネ１１に固定されミラー１２に対して一側の平板バネ１１の撓み量を大小を繰り返すように変化させて、ミラー１２を回動させる駆動手段である圧電素子１４を有している。
【００１０】
平板バネ１１は、バネ鋼で作製された所定の幅を有する長尺薄板状の部材であり、無応力状態では平面状であるが、中間部を弓状に撓ませた状態で両端を保持部材４２に固定部材５２、５４によって固定されている。固定部材５２、５４は、平板バネ１１に接する角部分が平板バネ１１に集中応力を与えないように、この角部に円弧状の面取りが施されている。平板バネ１１は、両端部を固定部材５２、５４と保持部材４２に挟まれるようにして固定されている。
【００１１】
平板バネ１１には、ミラー１２に対して両固定端側にそれぞれ第１変曲点Ｅと第２変曲点Ｆが形成されている。そして、第１変曲点Ｅを挟んで互いに逆方向に湾曲する第１湾曲部１１ａと第２湾曲部１１ｂとが形成され、また、第２変曲点Ｆを挟んで互いに逆方向に湾曲する第３湾曲部１１ｃと第４湾曲部１１ｄとが形成されている。
【００１２】
第１変曲点Ｅに対してミラー１２側（平板バネ１１の中央側）に形成された第２湾曲部１１ｂは、ミラー１２が設けられている側に凸となるように湾曲している。また、第２変曲点Ｆに対してミラー１２側（平板バネ１１の中央側）に形成された第３湾曲部１１ｃは、ミラー１２が設けられている側に凸となるように湾曲している。さらに、第１変曲点Ｅに対して固定部材５４側に形成された第１湾曲部１１ａは、ミラー１２が設けられている側と反対側（平板バネ１１の保持部材４２側）に凸となるように湾曲している。さらにまた、第２変曲点Ｆに対して固定部材５２側に形成された第４湾曲部１１ｄは、ミラー１２が設けられている側と反対側（平板バネ１１の保持部材４２側）に凸となるように湾曲している。
【００１３】
すなわち、平板バネ１１は、図１において、固定部材５４側から、保持部材４２側に凸（第１湾曲部１１ａ）、第１変曲点Ｅ、ミラー１２側に凸（第２湾曲部１１ｂ）、ミラー１２の支持位置、ミラー１２側に凸（第３湾曲部１１ｃ）、第２変曲点Ｆ、保持部材４２側に凸（第４湾曲部１１ｄ）の順で湾曲している。
【００１４】
平板バネ１１の中央部付近にミラー１２を平板バネ１１から支持する支持部材５６が設けられている。支持部材５６は、ミラー１２の回動中心が、ミラー１２と支持部材５６の合体２０の重心Ｏ上に位置するように、ミラー１２を平板バネ１１から中央部弧の外方向側へ所定の距離離して（変位させて）支持している。
【００１５】
平板バネ１１の固定部材５２側の端部には、駆動手段として平板状の圧電素子１４が平板バネ１１に主面を密着させて貼着されている。圧電素子１４は、両主面に電極を有しており、この電極間に交番電圧を印可されると図１の矢印Ｃに示すように、長手方向に伸縮を繰り返す。圧電素子１４の片側主面は、平板バネ１１に貼着されているので、圧電素子１４の伸縮の繰り返しに伴い、平板バネ１１は、図１の矢印Ａのように曲率の変化を繰り返す。
【００１６】
次に、動作について説明する。図示しない制御回路によって圧電素子１４に交番電圧を印加すると、圧電素子１４は、長手方向である図１のＡの方向に伸縮する。この伸縮の割合は僅かなものであるが、図１の構造によれば、伸縮しない平板バネ１１と伸縮する圧電素子１４とが互いの主面を貼り合わされているので、ユニモルフ効果によって、平板バネ１１には大きな変位を与える事ができる。圧電素子１４が伸びた場合には、平板バネ１１の固定部材５２側の部分の撓みが少なくなり、ミラー１２は図１の矢印Ｂ１のように時計方向に回動し、縮んだ場合には、矢印Ｂ２のように反時計方向に回動する。この交番電圧を、平板バネ１１、ミラー１２および支持部材５６で構成される系の回転振動の共振に同期させることにより、ミラー１２の回転振幅を極めて大きくする事ができる。そして、半導体レーザ素子１３から放射されたレーザビーム１５を広範囲に走査することができる。
【００１７】
平板バネ１１は、ミラー１２を挟んで両側に互いに逆方向の第１、第２の変曲点Ｅ、Ｆを持つように撓められているので、２つの変曲点Ｅ、Ｆ以外の場所はすべてミラー１２側に凸あるいは保持部材４２側に凸と形状に曲げられている。すなわち、直線の部分がない。このように曲げられた平板は、一般にその湾曲方向と垂直な方向、つまり図１の紙面の奥行き方向への曲げに対しては構造的に高い剛性を持つ。そのため、平板バネ１１の厚みを薄くしても紙面の奥行き方向へのぶれを防ぐ事ができる。
【００１８】
そして、平板バネ１１の厚みを薄くすると、同じ長さの平板バネ１１であれば、塑性領域に入ること無く大きな曲率で曲げることができるので、レーザビーム１５を広範囲にスキャンすることができる。また逆に、同じスキャン範囲で良ければ平板バネ１１の長さを短くすることができる。
【００１９】
また、この平板バネ１１のように、１つの方向（図１の紙面の左右方向）に曲げられた平板は、３次元的に膨らむことができないので、従来例のようにペコッと不連続な力が発生する位置が無い。
【００２０】
ミラー１２が図１の矢印Ｂ１のように時計方向に回転しているときは、平板バネ１１の固定部材５２側の撓みが少なくなっているので、支持部材５６の平板バネ１１との接続部５６ａは若干固定部材５４側に変位している。しかし、ミラー１２と支持部材５６の合体２０の重心がほぼ回転中心になるように、ミラー１２を平板バネ１１から所定の距離離れるように変位させているので、回転モーメントが小さくなり、速い周波数で回転振動させることができると共に、平板バネ１１の長手方向および平板バネ１１の出没方向の有害な振動を少なくすることができる。ただし、厳密には、振動形態は平板バネ１１の自重や空気の抵抗等によっても影響されるので、ミラー１２の変位のさせ方は、有害な振動が最小になるように、実験によって微調整しても良い。
【００２１】
一方、保持部材４２が、固定部材５２、５４に対向する位置のみに設けられた場合、すなわち、中間部が無い場合、平板バネ１１を図１の左方向に移動させる様な大きな外力が加わった際に、平板バネ１１が全体にわたって図１の左方向に大きく凸に変形してしまう不具合が考えられる。そのため、保持部材４２は、平板バネ１１の左側全面にわたって設けられており、平板バネ１１の図１の左方向に凸となる変形を防止する抑止部材として機能している。
【００２２】
本実施の形態のスキャン装置１００は、平板バネ１１を撓ませた状態で両端を固定しているので、加工精度が多少悪くても、３次元的な膨らみが抑制されるため、中立位置付近でも不連続な力が発生しない。また、折れ曲がり部を持たないため、コンパクトでしかも製造が簡単である。
【００２３】
尚、本実施の形態のスキャン装置１００の偏向器は、レーザビーム１５を反射するための反射面１２ａを有するミラー１２であるが、偏向器は、これに限らず、電磁波、音波等の波動を反射するものであってもよく、例えば、パラボラアンテナ等であってもよい。さらには、屈折、回折格子などの光を屈折するものであってもよい。
また、本実施の形態においては、駆動手段として圧電素子１４を設けているが、駆動手段は、これに限らず、例えば従来の技術で述べた特許文献１のように電磁石を用いてもよい。
さらにまた、本実施の形態の駆動手段である圧電素子１４は、ミラー１２に対して一側の平板バネ１１に固定されて、ミラー１２に対して一側の平板バネ１１の撓み量を大小を繰り返すように変化させるものであるが、駆動手段は、ミラー１２に対して両側に設けられてもよく、この場合は、２つの駆動手段を交互に動作させるか、或いはタイミングをずらせて動作させることにより、ミラー１２を回動させることができる。このように、両側に駆動手段を設けると、ミラー１２を中心として両側で均等な撓み量とすることができ、回動軸のブレを小さくできるとともに、ミラー１２の大きな回動角度を得ることもできる。
【００２４】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２のスキャン装置の側面図である。本実施の形態のスキャン装置２００は、平板バネの固定方法として、図２に示すように、平板バネ２１は、変曲点を持たずに全体にわたってミラー１２側に凸となるように曲げられている。この場合、実施の形態１のようにミラー１２に対して両固定端側に第１、第２変曲点Ｅ、Ｆが形成されているものと比較して、構造的な剛性が低くなる。そのため、小さな駆動力で大きな回転角度が得られる効果がある。
【００２５】
反面、構造的な剛性が低いために、平板バネ２１の長手方向または出没方向の力に弱く、有害な振動を発生しやすい欠点がある。これに対し、平板バネを実施の形態１のようにミラー１２に対して両固定端側にそれぞれ第１変曲点Ｅ、Ｆを持つように固定し、さらに、たるみを少なくして平板バネ１１の中央部の保持部材４２からの距離を小さくした場合には、ミラー１２を図１の平板バネ１１の長手方向または出没方向に動かす方向の力の大部分を、平板バネ１１の長手方向の引っ張り応力または圧縮応力にて受けることとなり、長手方向または出没方向への動きに対して構造的に非常に剛性が強くなる。このため、従来例のようにくの字型の構造で支持しなくても、長手方向または出没方向の有害な振動を少なくすることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、この発明のスキャン装置は、中間部を弓状に撓ませた状態で両端を固定された平板状の弾性体と、上記弾性体の上記中間部に固定され、所定の方向から到来する波動の方向を変える反射または屈折する偏向器と、上記弾性体の一端部に主面を密着させて固定され他端部の方向に沿って伸縮する駆動手段とを備え、前記駆動手段の駆動による、ユニモルフ効果によって、前記中間部での接線の回動により前記偏向器も回動するようになっているので、簡単でコンパクトな構造をなし、なめらかな走査が可能なキャン装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１のスキャン装置の正面図である。
【図２】この発明の実施の形態２のスキャン装置の正面図である。
【符号の説明】
１１，２１平板バネ（弾性体）、１２ミラー（偏向器）、１３半導体レーザ素子、１４圧電素子（駆動手段）、１５レーザビーム、２０合体、４２保持部材、５２，５４固定部材、５６支持部材、１００，２００スキャン装置、Ｅ，Ｆ変曲点、Ｏ重心。

Claims

中間部を弓状に撓ませた状態で両端を固定された平板状の弾性体と、
上記弾性体の上記中間部に固定され、所定の方向から到来する波動の方向を変える反射または屈折する偏向器と、
上記弾性体の一端部に主面を密着させて固定され他端部の方向に沿って伸縮する駆動手段とを備え、
前記駆動手段の駆動による、ユニモルフ効果によって、前記中間部での接線の回動により前記偏向器も回動するようになっていることを特徴とするスキャン装置。
上記弾性部材は、
上記偏向器に対して両固定端側にそれぞれ形成される第１、第２変曲点と、
上記第１変曲点を挟んで互いに逆方向に湾曲する第１、第２湾曲部と、
上記第２変曲点を挟んで互いに逆方向に湾曲する第３、第４湾曲部とを有し、
上記第１、第２変曲点に対してそれぞれ上記偏向器側の上記第２、第３湾曲部は、上記偏向器側に凸、上記第１、第２変曲点に対してそれぞれ固定端側の上記第１、第４湾曲部は、上記偏向器と反対側に凸の形状に湾曲している
ことを特徴とする請求項１に記載のスキャン装置。
上記弾性部材は、
全体にわたって上記偏向器側に凸の形状に湾曲している
ことを特徴とする請求項１に記載のスキャン装置。
上記偏向器を上記弾性体から支持する支持部材を有し、
上記支持部材は、上記偏向器の回動中心が上記支持部材と上記偏向器の合体の重心上に位置するように、該偏向器を上記弾性体から中央部弧の外方向へ所定の距離離して支持している
ことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のスキャン装置。
上記駆動手段は、上記弾性体、上記偏向器及び上記支持部材からなる系の共振振動に同期する振動数にて駆動する
ことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のスキャン装置。
上記駆動手段は、上記弾性体に固着された圧電素子である
ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のスキャン装置。
上記弾性体の上記第１、第４湾曲部の弧の外側に設けられ、該湾曲部の湾曲方向が逆方向とならないように、これを規制する抑止部材を有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のスキャン装置。