JP5952391B2 - 光走査装置及び画像読取装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー光などの光束を走査する光走査装置及びそれを備えた画像読取装置に関する。

バーコード等の光学パターンの読み取り装置として、レーザー方式やＣＣＤラインセンサを用いたラインセンサ方式、ＣＭＯＳセンサを用いたイメージセンサ方式が実用化されている。レーザー方式は、振動ミラーでレーザー光を走査して反射光強度の時間変化を検出する方式であり、安価な光学センサを採用できるため、コスト的なメリットが大きい。

近年、ラインセンサ方式やイメージセンサ方式では、読み取り率（読み取りの成功率）が向上し、かつ、バーコードの幅広化に対応している。そのため、レーザー方式にも読み取り率の向上とバーコードの幅広化への対応が求められている。レーザー方式で読み取り率を上げる発明として、可変焦点ミラーを用いた発明が提案されている（特許文献１参照）。この方法では、レーザーダイオードと光スキャナとの間に可変焦点ミラーが配置され、可変焦点ミラーがレーザー走査の速度よりも遅い速度で駆動される。これにより、１走査毎に焦点距離を変えた走査が実行される、つまり、レーザーのビームウエストの位置が周期的に変化するため、読み取り可能範囲が拡大されるとともに読み取り率が向上している。

特開平０７−１２１６４５号公報

しかしながら、特許文献１の発明では、光スキャナと可変焦点ミラーとは別個の光学部品であるため、部品点数が多く、レーザー方式のコストメリットが生かせない。さらに、特許文献１の発明では、読み取り装置の小型化の要求にも対応できない。

さらに、特許文献１の発明では幅広のバーコードを高い読み取り率で検出することが困難である。幅広のバーコードに対応するには、レーザーの走査角を大きくする必要がある。しかし、レーザーの走査角を大きくすると、走査中央と走査端ではレーザーの投射距離に大きな差が生じる。つまり、走査位置によってはビーム径が太り、読み取りの分解能が低下する。このため、特許文献１の発明では、高精細のバーコードでは読み取り率が大幅に低下する。走査端でも分解能を保てる範囲の走査角で幅広バーコードを検出するには、投射距離を非常に長くすればよい。しかし、投射距離を非常に長くすると、反射光強度の低下により読み取り率が低下してしまうだけでなく、小型化も困難となる。

そこで、本発明は、たとえば、小型化も可能で、かつ、コスト的に有利な光走査装置を提供する。

本発明は、たとえば、ねじり梁と、前記ねじり梁に支持された可変焦点ミラーとを有し、前記ねじり梁にねじり振動を生じさせて前記可変焦点ミラーにより光束の向きを可変すると共に前記可変焦点ミラーのミラー面の曲率を変化させて被走査物に対して前記可変焦点ミラーの焦点を調整しながら、前記可変焦点ミラーのミラー面から反射する光束で前記被走査物の上を走査する光走査装置であって、第１の周波数の第１の電気信号を発生することで、前記ねじり梁にねじり振動を誘起させる第１電気信号生成部と、前記第１の周波数の２倍の周波数を有する第２の電気信号と、当該第１の周波数よりも低い第３の周波数の第３の電気信号とを発生することで、当該第２の電気信号による変形と当該第３の周波数の第３の電気信号による変形とを重畳させてなる曲げ振動を前記可変焦点ミラーに励起させる第２電気信号生成部とをさらに備えたことを特徴とする光走査装置を提供する。

本発明によれば、光を反射する振動ミラー自体を可変焦点ミラーにより構成したことで、振動ミラーと可変焦点ミラーとを個別に有していた従来技術と比較して、部品点数を減らすことができる。つまり、部品点数を減らすことで、小型化も可能で、かつ、コスト的に有利な光走査装置が提供できるようになる。

本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。

添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
図１Ａは本発明の第１の実施形態を示す斜視図である。 図１Ｂは本発明の第１の実施形態を示す図である。 図１Ｃは本発明の第１の実施形態を示す平面図である。 図２Ａは本発明の機能を説明する平面図である。 図２Ｂは本発明の機能を説明する平面図である。 図２Ｃは本発明の機能を説明する平面図である。 図３は本発明の駆動信号を示すグラフである。 図４は本発明の他の機能を説明する平面図である。 図５Ａは本発明の第１の実施形態の他の構成を示す斜視図である。 図５Ｂは本発明の第１の実施形態の他の構成を示す図である。 図６Ａは本発明の第１の実施形態の他の構成を示す図である。 図６Ｂは本発明の第１の実施形態の他の構成を示す図である。 図７は本発明の第２の実施形態を示す斜視図である。 図８は本発明の応力を説明するグラフである。 図９は本発明の実施例１を示す斜視図である。 図１０Ａは本発明の実施例２を示す斜視図である。 図１０Ｂは本発明の実施例２を示す斜視図である。 図１１は本発明の実施例２を示す斜視図である。 図１２Ａは本発明の機能を説明する平面図である。 図１２Ｂは本発明の機能を説明する平面図である。 図１２Ｃは本発明の機能を説明する平面図である。 図１３は本発明の駆動信号を示すグラフである。 図１４は本発明の光走査装置の動作を説明する平面図である。 図１５Ａは本発明の光走査装置の動作を説明するグラフである。 図１５Ｂは本発明の光走査装置の動作を説明するグラフである。 図１５Ｃは本発明の光走査装置の動作を説明するグラフである。 図１６Ａは本発明の光走査装置の動作を説明するグラフである。 図１６Ｂは本発明の光走査装置の動作を説明するグラフである。

（第１の実施形態）
図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃに、本発明の第１の実施形態である振動ミラーである光走査装置１を示す。図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃが示すように、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を定義する。振動部材１０は、ねじり梁１０１と、ミラー部１０４と、それを支持する支持部１０２、１０３とを有している。なお、ねじり梁はジンバルやヒンジ、トーションバーと呼ばれることもある。本実施形態では、ねじり梁１０１とミラー部１０４とは一体的に設けられている。たとえば、ねじり梁１０１とミラー部１０４とが同一の金属材料により形成されている。ミラー部１０４の下部には、支持部１０２、１０３の上部が接続されている。支持部１０２、１０３の下部は接続部を介して接続されている。なお、図１Ａでは、接続部が磁石５０、５１によって狭持されているため、隠れている。接続部の下部には、ねじり梁１０１の上部が接続されている。ミラー部１０４は、ねじり梁１０１を回転軸として回転する。ねじり梁１０１の長さ方向は、ｚ軸方向と平行である。ミラー部１０４の表面には必要に応じて反射膜２０が形成される。なお、ミラー部１０４の厚み方向がｙ軸方向と平行になっている。また、ミラー部１０４は、表面と裏面は平面であり、ｘ軸方向と平行である。なお、ミラー部１０４上に反射膜２０を設ける場合には、反射膜２０の表面が実質的にミラー面となり、ミラー部１０４はねじり梁１０１と一体的に形成されたベース体となる。また、反射膜は、ミラー部の一方面上に設けてもよいし、両面に設けてもよい。いずれにしても、ねじり梁１０１と可変焦点ミラーとなるミラー部１０４とが一体的に形成されることで、全体として小型化を図ることができる。

図１Ａや図１Ｂが示すように、支持部１０２、１０３の接続部の付近には磁石５０、５１が配置されている。つまり、磁石５０、５１は、２つの支持部１０２、１０３に取り付けられた磁石である。駆動コイル５５は、磁石５０、５１に対応して設置され、第１の周波数の電気信号を印加されて磁界を発生するコイルである。なお、磁石５０、５１の着磁方向は、同一である。また、ねじり梁１０１に回転トルクが働けば良いため、磁石５０、５１の着磁方向は、ねじり梁１０１のｚ軸方向に対して垂直な方向（例：図１Ａの矢印Ｄ１や矢印Ｄ２の方向やこれらの反対方向）であれば十分である。駆動回路６０から電気信号を駆動コイル５５に供給することで、駆動コイル５５が磁界を発生する。この磁界によって磁石５０、５１が吸引または反発するため、ねじり梁１０１にはねじり振動が誘起される。ねじり梁１０１のねじり振動により、ミラー部１０４が回転振動する。よって、光源が出力された光束（レーザー光）は、ミラー部１０４によって向きが変更（偏向）される。このように、ミラー部１０４によって光走査が実現される。

ミラー部１０４の曲率を変化させる圧電素子３０は、可変焦点ミラーであるミラー部１０４においてミラー面の反対側の面に配置される。圧電素子３０は、電気信号が印加されることで、ミラー面の曲率を変化させる第２の圧電素子として機能する。図１Ｃが示すように、駆動回路６１から供給された電気信号（周波数ｆ２、周波数ｆ３）に応じて圧電素子３０が伸縮することで、ミラー部１０４には曲げ変形が誘起される。図１Ｂは金属材料により構成された振動部材１０を示している。そのため、振動部材１０は、圧電素子３０の電極または配線として機能する。この圧電素子３０による曲げ変形によりミラー部１０４の表面の曲率が変化するため、ミラー部１０４は、可変焦点ミラーとして機能する。

本発明では、光走査用のミラーと焦点調整用のミラーとを可変焦点ミラーとなる単一のミラー部１０４によって実現しているため、振動ミラーと可変焦点ミラーとを個別に有していた従来技術と比較して、部品点数を減らすことができる。つまり、本発明は、部品点数を減らすことで、小型化も可能で、かつ、コスト的に有利な光走査装置が提供できるようになる。

図１Ｃが示すように、ミラー部１０４が曲げ変形した際にもｙ軸方向に変位しない２つの位置が存在する。この２つの位置で、ねじり梁１０１から接続部を介して二股に分かれた支持部１０２、１０３がミラー部１０４に接続されている。支持部１０２、１０３は、ねじり梁１０１の回転軸に対して対称な２つの位置に配置された、可変焦点ミラーを支持する２つの支持部として機能する。これにより、ミラー部１０４に曲げ振動が誘起された場合でも、ミラー部１０４の重心は変動しない。このように、ミラー部１０４のうちｙ軸方向に変位しない２つの位置に支持部１０２、１０３を接続することで、ねじり梁１０１に撓み振動が誘起されるのを抑制できる。なお、ねじり振動と撓み振動が同時にミラー部１０４に発生すると、振動部材１０が異常振動を起こすため、正常な光走査が阻害される。本発明によればこの異常振動が抑制されるため、精度よく光走査を行なうことができる。

図１Ａにおいて、振動部材１０は一体構造をなしているが、必ずしも一体構造である必要なない。ただし、振動部材１０を一体構造にすることで、接合部の耐久性や製造工程の簡略化、低コスト化の観点で有利である。振動部材１０は金属材料やシリコンウエハの他、セラミック基板などから形成可能である。成型方法としては、エッチングやプレス加工、レーザー加工、ワイヤ放電加工等を採用できる。ただし、金属材料を採用することで、耐衝撃性の観点からは、有利である。金属材料は容易に破断しないからである。とりわけ、ＳＵＳ３０１やＳＵＳ６３１等のステンレスや銅合金、Ｃｏ−Ｎｉ基合金などを採用すれば、繰り返し耐久性の観点で優れている。その中でもセイコーインスツル株式会社製のＳＰＲＯＮ５１０に代表されるＣｏ−Ｎｉ基合金は特に疲労限が高い。Ｃｏ−Ｎｉ基合金は、繰り返しのねじり応力及び曲げ応力が加わる本発明の光走査装置１には向いている。

反射膜２０は、たとえば、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ等の蒸着膜で形成され、必要に応じて増反射膜が形成されてもよい。

磁石５０、５１の材質は特に限定されるものではない。ただし、出来るだけ小型で磁力の強い磁石を採用すると、振動に係わる慣性モーメントを小さくすることができる。たとえば、磁力の強いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石やＳｍ−Ｃｏ系磁石等、小型形状形成が可能で加工性にも優れたＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系磁石などを採用してもよい。

圧電素子３０の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を採用することで、変位量を大きくとれるが、これにのみ限定されるわけではない。たとえば、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸鉛等の圧電特性を有する材料を採用できる。圧電素子３０は焼結体の素子の接着や直接成膜によって形成される。焼結体の積層構造を持つ圧電素子は変位量が大きく非常に優れた特性を有する。一方で、振動部材１０のミラー部１０４への直接成膜は、接着部分の耐久性の点で優れている。その中でも、エアロゾルディポジション法やガスデポジション法は、成膜レートが高く、膜質の良い厚膜を容易に形成できる。圧電素子３０の材料にＰＺＴを用い、振動部材１０として金属材料を用いる場合、鉛の拡散を防止する中間層を形成することで、圧電特性が向上する。さらに、金属材料の中でも耐熱性の高い材料を用いることで、熱処理温度を高くすることができる。たとえば、Ｃｏ−Ｎｉ基合金は、５００℃〜６００℃程度で時効硬化処理が実行可能である。

図２Ａないし図２Ｃを参照して本発明の光走査装置１による読み取り率向上の原理を説明する。図２Ａは光走査装置１によるレーザー光走査を示したものであり、光走査装置１を上方から見た平面図である。図２Ａにおいてレーザー光は、面Ｐ１の上端⇒中央⇒下端⇒中央⇒上端へと移動する。ここで、レーザー光の走査中心から面Ｐ１の上端までの距離をＲ１’とし、中央までの距離をＲ１とし、下端までの距離をＲ１”とする。また、ここで、レーザー光の走査中心から面Ｐ１の上端までの距離をＲ２’とし、中央までの距離をＲ２とし、下端までの距離をＲ２”とする。バーコード９０は、面Ｐ１と面Ｐ２に平行に配置され、面Ｐ１から面Ｐ２までのいずれかの位置に配置される。図２Ｂは、面Ｐ１の上端を走査しているときのミラー部１０４の状態（以下、状態（Ｒ１’））、面Ｐ１の中央を走査しているときのミラー部１０４の状態（以下、状態（Ｒ１））、面Ｐ１の下端を走査しているときのミラー部１０４の状態（以下、状態（Ｒ１”））を示している。図２Ｃは、面Ｐ２の上端を走査しているときのミラー部１０４の状態（以下、状態（Ｒ２’））、面Ｐ２の中央を走査しているときのミラー部１０４の状態（以下、状態（Ｒ２））、面Ｐ２の下端を走査しているときのミラー部１０４の状態（以下、状態（Ｒ２”））を示している。

本実施形態において、面Ｐ１の中央をレーザー光で走査するときには、圧電素子３０に所定の電気信号を印加することにより、ミラー部１０４には、図２Ｂが示すような曲率（１／Ｒ１）が付与される。つまり、ミラー部１０４の曲率半径はＲ１である。ここで、ビームウエストは、走査中心から距離Ｒ１だけ離れた位置にある面Ｐ１の中央に位置している。

ねじり梁１０１のねじり振動によりミラー部１０４が回転して、ミラー部１０４の状態が図２Ｂの（Ｒ１’）の状態になったとする。つまり、面Ｐ１の上端をレーザー光で走査するときには、ミラー部１０４の曲率が１／Ｒ１’となり、曲率半径がＲ１’となるように、圧電素子３０に加えられる電気信号を駆動回路６１が変化させる（Ｒ１＜Ｒ１’）。これにより、曲率半径が１／Ｒ１から１／Ｒ１’へ小さくなり、ビームウエストが走査中心からＲ１’の距離にある面Ｐ１の上端に位置するようになる。仮に曲率が１／Ｒ１に維持されていた場合、ビームウエストの位置は走査中心から距離Ｒ１の位置になるため、面Ｐ１の上端ではビーム径が拡がって分解能が低下し、読み取り率が低下してしまう。そこで、本実施形態では、面Ｐ１の上端を走査するときは、ビームウエストが面Ｐ１上に位置するように、ミラー部１０４の曲率半径をＲ１’に変更する。

走査下端でも同様に、図２Ｂの（Ｒ１”）の状態で曲率半径をＲ１”へと変化させることにより、ビームウエストは面Ｐ１上に保持される。面Ｐ１上にバーコード９０等の光学パターンが置かれた場合、走査中央と走査端で同様の分解能を得ることができる。特に幅広のバーコードに対応するために走査角を大きくした場合であっても、読み取り率を大幅に向上させる効果がある。

図２Ｃは、同様に面Ｐ２にビームウエストを保持するためのミラー部１０４の変形状態を示している。図２Ｃが示すように、走査位置に応じて曲率を追従させることで、面Ｐ２上にビームウエストが常に維持されるようになる。さらに、本実施形態では、走査面を面Ｐ１から面Ｐ２まで連続的に移動することにより、バーコードが面Ｐ１から面Ｐ２の範囲内にあれば確実に高分解能で検出することが可能になる。たとえば、バーコードを面Ｐ１から面Ｐ２まで移動させながら複数回の走査を実行し、各走査結果を復号し、有効な読み取り結果が得られたときに、走査を終了してもよい。

図３は、図２Ａないし図２Ｃのような走査を行うための駆動回路６０、６１が生成する駆動信号の一例を示している。駆動回路６０、６１は、ねじり梁１０１にねじり振動を生じさせるための第１の駆動信号と、可変焦点ミラー（ミラー部１０４）に曲げ変形を生じさせる第２の駆動信号とを同時に生成する駆動制御部となる。ここでは、駆動回路６０、６１は、別々の回路として図示しているが、個別の基板にそれぞれ設けられていてもよく、１つの基板に設けてもよい。ここで、駆動回路６１は、第２の駆動信号として、駆動回路６０から出力される第１の駆動信号における第１の周波数と異なる複数の周波数を重畳させた信号を生成する。このとき、駆動回路６１は、第２の駆動信号として、第１の周波数の偶数倍（例えば、２倍、４倍等）に相当する周波数の信号を含めて生成するのがよい。効率的な可変焦点ミラーの駆動を実現できるからである。特に、駆動回路６１は、第２の駆動信号として、第１の駆動信号における第１の周波数の２倍の周波数の信号と前記第１の周波数の４倍の周波数の信号とを重畳した信号を生成するのがよい。なお、駆動回路６１は、第１の駆動信号を生成している間、第２の駆動信号を生成することで、効率的な動作で可変焦点ミラーを駆動することが可能となる。例えば、本実施形態では、駆動回路６０は、第１の周波数の第１の電気信号を発生することで、ねじり梁１０１にねじり振動を誘起させる第１電気信号生成部として機能する。すなわち、駆動回路６０は、ミラー部１０４の回転振動を誘起するために、第１の周波数ｆ１の第１の電気信号を出力する。一方、駆動回路６１は、第１の周波数の偶数倍（ここでは２倍）の周波数を有する第２の電気信号と、第１の周波数よりも低い第３の周波数の第３の電気信号とを発生することで、第２の電気信号による変形と第３の周波数の電気信号による変形とを重畳させてなる曲げ振動を可変焦点ミラーに励起させる第２電気信号生成部として機能する。すなわち、駆動回路６１は、ミラー部１０４の曲率変形を誘起するために、第１の周波数ｆ１の２倍の第２の周波数ｆ２を持つ第２の電気信号と、第１の周波数ｆ１よりも充分に低くい第３の周波数ｆ３を持つ第３の電気信号を重畳させた電気信号を出力する。第２の電気信号は、一走査内において、ビームウエストが常に走査面上に位置するように維持するための信号である。第３の電気信号は走査中央から走査面までの距離を連続的に変化させる信号である。

なお、周波数ｆ１と周波数ｆ３との差を大きくすればするほど面Ｐ１から面Ｐ２までの範囲内での走査回数が増える。よって、焦点合わせの精度が向上する。しかし、バーコードと焦点が合って有効な信号が得られるまでにかかる読み取り時間は長くなってしまう。また、読み取り時間は一走査の時間、すなわちミラー部１０４の回転周波数にも依存する。たとえば、ミラー部１０４の回転周波数が５０Ｈｚから１００Ｈｚまでの範囲で、かつ、０．２秒で読み取りを完了させようとすると、周波数ｆ３は周波数ｆ１の１０倍から２０倍程度になる。また、ミラー部１０４の走査角度は、ねじり梁１０１の材料の弾性域内でねじり梁１０１が使用されている場合には周波数ｆ１の駆動信号の振幅に比例する。また、ミラー部１０４は圧電素子３０を貼り付けられたユニモルフ型の圧電振動子を形成している。そのため、曲率の大きさは圧電素子３０に印加される周波数ｆ２と周波数ｆ３を合成してなる駆動信号の振幅に依存する。

図２Ａないし図２Ｃでは、走査上端と下端で走査中心からビームウエストまでの距離が同じになるように、図２Ｂの状態（Ｒ１’）と状態（Ｒ１”）とでそれぞれ曲げ変形の大きさを同じにしている。ただし、駆動回路６１が圧電素子３０に加える駆動信号の周波数を調整することで、状態（Ｒ１’）と状態（Ｒ１”）でのそれぞれの曲げ変形を違う大きさにしてもよい。これにより、ビームウエスト位置が保持される走査面を図４が示す面Ｐ１’のように、傾けることが可能になる。つまり、走査面を面Ｐ１’から面Ｐ１”まで回転させることができるようになる。これは、バーコードがｚ軸回りに回転し、バーコードが理想平面に対して傾いたとしても、走査面を回転させることで、高分解能な検出が可能になることを意味する。

このように、本実施形態では、平面上の物体である被走査物の走査面上に、ミラー部１０４により反射された光束のビームウエストがあるように、第２の電気信号と第３の電気信号とによって可変焦点ミラーのミラー面の曲率を変化させる。これにより、光学部品の部品点数を削減しつつ、読み取り率を向上させることができる。

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の第１の実施形態の他の構成例を示している。図１Ａに示した光走査装置と比較して、光走査装置２では、ミラー部１０４の回転機構が異なっている。図５Ａでは、図１Ａでは隠れていた、２つの支持部１０２、１０３を結合する結合部材５０１も示されている。また、ねじり梁１０１は、結合部材５０１から延伸した並行する２本の梁１１、１２で構成されている。梁１１、１２のそれぞれに圧電素子３１、３２を配置する。圧電素子３１、３２は、２つの梁１１、１２のそれぞれに設けられ、第１の電気信号が印加される第１の圧電素子として機能する。さらに、梁１１、１２が互いに逆方向の曲げ変形を起こすように、図５Ｂが示す駆動回路６２が圧電素子３１、３２に電気信号を印加することで、ミラー部１０４に回転振動が誘起される。圧電素子３１、３２は圧電素子３０と同様に形成可能であるため、製造工程の簡略化が可能となる。また、磁石やコイルを削減できるため、部品点数削減によるさらなる小型化が可能になる。

図５Ａおよび図５Ｂの構成以外にも、ミラー部１０４にコイルパターンを形成して外部に磁石を配置することで、ムービングコイル方式の駆動によりミラー部１０４の回転振動を誘起する構成を採用してよい。また、図１Ａないし図１Ｃ並びに図５Ａおよび図５Ｂの構成はミラー部１０４を片側で支持したものであるが、ねじり梁と支持部をミラー部１０４の両側（上部と下部）に設けた両側支持構成が採用されてもよい。両側支持構成は、ミラー面の倒れこみを抑制できる点で有利である。

図６Ａ、図６Ｂに、圧電素子３０の別の構成例を示す。図６Ａは同一形状の複数の圧電素子３３をミラー部１０４の裏面に略等間隔で配置した構成を示している。複数の圧電素子３３には夫々に異なる駆動電圧を駆動回路６０が印加することで、ミラー面の曲率分布を作り、球面収差の補正を行うことが可能になる。つまり、圧電素子が１個だけではミラー面の曲率の変化幅が限定されてしまうが、複数個の圧電素子を採用することで自由に曲率分布を作ることができ、収差の補正が容易になる。なお、複数の圧電素子３３に印加される駆動信号の振幅は異なるが、位相や周波数は同一でよい。

図６Ｂは同一形状の複数の圧電素子３４を、ミラー面の反対側の面の端部と中央部とで異なる間隔で配置した構成を示している。複数の圧電素子３４には同じ電圧を駆動回路６０が印加することになるが、ミラー部１０４の場所によって曲げ変形量が異なる。これは、複数の圧電素子３４間の間隔がミラー部１０４の端部と中央部とで異なっているからである。つまり、複数の圧電素子３４には振幅だけでなく、位相や周波数もすべて同じ駆動信号が付与される。複数の圧電素子３４を、ミラー部１０４の端部において密に配置し、中央部に疎に配置することで、曲率の可変範囲を大きく取りやすくなるだろう。よって、図６Ａと同様にミラー面に曲率分布を作って球面収差の補正に用いることができる。このように、圧電素子３３、３４は、ミラー面の曲率を変化させる第２の圧電素子として機能する。

（第２の実施形態）
次に、図７を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。図７の構成は図５Ａに示した構成と類似しているが、ミラー部１０４は、圧電素子３０に電圧が印加されていない状態で予め曲率を有している点が異なる。ミラー部１０４に曲率を形成するための加工としては、機械的またはレーザー等の熱による曲げ加工等を採用できる。振動部材１０には金属材料が用いられる。金属材料として金属ガラスを採用してもよい。金属ガラスに過冷却領域で曲げ加工を施すことで、曲率の形成と同時にミラー面を型の転写で形成することもできる。よって、反射膜２０は不要となる。ミラー部１０４への曲率の付与は、金属材料であれば圧延と同時にローラーで付与することもできる。また、反射膜２０とミラー部１０４の背面に配置した図示していない膜による膜応力を制御して、ミラー部１０４に曲率を付与してもよい。ミラー部１０４に曲率が付与された後で、圧電素子３０は、直接成膜によって、形成されてもよい。

図８は、ミラー部１０４の繰り返し曲げ変形時の応力変化を説明する図である。ミラー部１０４が予め変形されていない場合（すなわち、圧電素子３０に電圧が印加されていない状態でミラー面が平面である場合）、必要な最小の曲率を得るためのオフセット電圧を加えた上で、図３に示した第２の周波数ｆ２と第３の周波数ｆ３の重畳された電気信号が圧電素子３０に印加される。この際に圧電素子３０とミラー部１０４の接合面に加わる応力変化は、図８のσ１のようにオフセットするため、ミラー部１０４に加わる最大応力が非常に大きくなってしまう。これは、繰り返し変形に対して圧電素子３０の剥離などの不良を招く可能性がある。

一方、予め曲率を付与されたミラー部１０４では、圧電素子３０とミラー部１０４の接合面に加わる応力変化が、図８のσ２のように正負均等に変化するため、最大応力を相対的に下げることができる。これにより、繰り返し変形に対しても圧電素子３０の剥離などの不良が発生しにくくなり、信頼性の高い光走査装置３を実現することが可能になる。このように、ねじり梁１１、１２と可変焦点ミラーとして機能するミラー部１０４の少なくとも一部を金属材料により形成し、さらに、ミラー部１０４のミラー面を、第１の電気信号、第２の電気信号および第３の電気信号のいずれもが発生していない状態で曲げ変形させておくことで、光走査装置の耐久性を向上させることができる。

＜実施例＞
次に、本発明の光走査装置を用いた画像読取装置の実施例を説明する。

（実施例１）
図９は実施例にかかる画像読取装置５を示している。光走査装置として図７に示した光走査装置３を採用しているが、光走査装置１、２のいずれが採用されてもよい。振動部材１０の素材としては、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金のＳＰＲＯＮ５１０（セイコーインスツル株式会社製）が用いられ、ワイヤーカット加工で形成されている。ミラー部１０４の裏面に設置される圧電素子３０としては、エアロゾルディポジション法で成膜されたＰＺＴ膜が用いられている。

画像読取装置５は、レーザー光源７０から出力されたレーザー光が、光走査装置３により反射されて走査面上に配置された被走査物であるバーコード９０上を走査する。走査中には、ミラー部１０４の走査中心からバーコードまでの走査距離を、バーコード上の走査位置に応じて変化させることで、レーザー光のビームウエストが常にバーコード上に維持される。駆動回路６３は、上述した第１ないし第３の駆動信号を出力する。バーコード９０からの散乱光は、被走査物からの反射光であり、これを集光する集光部品である集光レンズ３５を通してフォトセンサ８０上に集光され、フォトセンサ８０によって検出される。フォトセンサ８０は、集光部品により集光された反射光を受光する受光素子として機能する。信号処理回路６４は、フォトセンサ８０から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、バーコード９０に対応した画像信号を作成し、デコーダ６５へ出力する。デコーダ６５は、画像信号に基づいてバーコード９０を復号する。本実施例の画像読取装置５は、本発明の光走査装置３を用いているため、幅広の高精細パターンであっても高分解能で検出が可能であり、且つ、小型化も可能である。

（実施例２）
図１０Ａおよび図１０Ｂは本発明の光走査装置の実施例である。光走査装置４は、図１Ａないし図１Ｃの構成を発展させてねじり梁１０１、１０７を両側に設けた両側支持構成を採用している。光学パターンからの戻り光を効率的に検出するための外側ミラー１０８を設けた。さらに、振動部材１０に磁石を配置する替わりに外側ミラー１０８の裏面にコイルパターン５６を形成し、外側ミラー１０８の外部に磁石５２、５３を設けている。つまり、光走査装置４は、ムービングコイル方式でねじり振動を誘起する構成を採用している。なお、コイルパターン５６は、磁石５２、５３に対応して設置され、第１の周波数の電気信号を印加されて磁界を発生するコイルとして機能する。磁石５２、５３の着磁方向はコイルパターン５６が発生する磁界と平行である。つまり、磁石５２、５３の着磁方向は、矢印Ｄ１の方向かまたはその反対方向であればよい。これにより、回転トルクが発生する。

外側ミラー１０８の表面には反射膜２１が形成されており、反射率が向上している。外側ミラー１０８の中央には空間が設けられており、その空間にミラー部１０４が配置されている。ミラー部１０４は、４つの支持部１０２、１０３、１０５、１０６により外側ミラー１０８に接続されている。つまり、ミラー部１０４の上部には支持部１０５、１０６が接続されており、ミラー部１０４の下部には支持部１０２、１０３が配置されている。支持部１０２、１０３、１０５、１０６の配置位置は、ミラー部１０４の曲げ振動時にｙ軸方向に変位しない位置である。

図１１に、図１０Ａの光走査装置４を用いた実施例である画像読取装置６を示す。レーザー光源７０から発射されたレーザー光Ｌ１はミラー部１０４によって反射されバーコード９０上を走査する。バーコード９０からの散乱光Ｌ２は、外側ミラー１０８で反射され、集光部品である集光ミラー３６に向かう。散乱光Ｌ２は、集光ミラー３６で集光され、フォトセンサ８０に入射する。このように、外側ミラー１０８は、レーザー光Ｌ１の投射方向からの散乱光Ｌ２だけを選択的に集光ミラー３６へ反射するため、検出精度をより向上させることが可能になる。本実施例によれば、画像読取装置６のサイズは図９に示した画像読取装置５のサイズよりも大きくなるが、レーザー光Ｌ１のビームウエスト位置の移動による高分解能化と、方向選択的な検出による検出精度向上の相乗効果により、幅広の高精細パターンに対しても読み取り率の高い画像読取装置を実現できる。

（第２の実施形態）
次に、図１２Ａ〜図１６Ｂを参照して、本発明の光走査装置の動作の他の例について説明する。

図１２Ａは本発明の光走査装置によるレーザー光走査の状態を示したものである。また、図１２Ｂは回転振動体である振動部材１０に配置されたミラー部材１０４の変形の様子を示したものである。この変形は、光の走査方向、及び、それに垂直な副走査方向に共通の変形である。

ミラー部材１０４が、圧電素子３０などの圧電材に加えられた電気信号により図１２ＢのＲ１が示すような曲率を持った状態であるとき、ビームウエストが走査中心からＲ１の距離にある投射面Ｐ１の中央に位置しているとする。ねじり梁１０１のねじり振動により回転振動体が回転して図１２ＢのＲ１’の状態になったとき、ミラー部材１０４の曲率は圧電材に加えられる電気信号の変化によりＲ１の状態から小さくなる方向に変化する。ビームウエストは走査中心からＲ１’の距離にある投射面Ｐ１の右端に位置するようになる。

仮にＲ１の状態から曲率が変化していない場合には、ビームウエストは走査端方向にＲ１の位置になり、投射面Ｐ１の右端ではビーム径が拡がってしまう。走査左端も同様に、図１２ＢのＲ”の状態で曲率が変化することにより、ビームウエストは投射面Ｐ１上に保持される。

このように、１回の往復走査の間に２回のミラー曲率変化を生じさせる制御、即ち、走査周波数に対して２倍の周波数を含む信号を用いたミラー曲率の制御を行ってもよい。これにより、アークサインレンズなどのレンズ光学系を使用することなく、最小スポットが形成されるビームウエスト位置をほぼ同一平面上に保持した光走査が可能になる。

図１２Ｃは、同様に面Ｐ１よりも投射距離の長い投射面Ｐ２にビームウエストを保持するためのミラー部材１０４の変形状態を示したものである。図１２Ｃでは図１２Ｂよりも曲率が大きい状態を保持することで、ビームウエスト位置はＲ２→Ｒ２’→Ｒ２→Ｒ２”→Ｒ２と移動する。このように、圧電材の駆動信号の制御により、ビームウエストを保持する面を変化させることも可能である。

図１３は、図１２Ａないし図１２Ｃのような走査を行うための駆動信号の例である。回転振動体の回転振動を誘起する駆動回路６０からの周波数ｆ１の駆動信号に対して、ミラー部材１０４の曲率変形を誘起する駆動回路６１からは、周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２の駆動信号にオフセット電圧ΔＶを加えた信号が印加される。周波数ｆ２の駆動信号は１走査内でビームウエストを走査面上に維持するための信号成分である。ΔＶはビームウエストを保持する面を変化させるための信号成分である。ミラーを共振により回転振動させる場合には駆動信号ｆ１とミラーの回転角の位相が９０度ずれるため、回転角に合わせてミラーの曲率変形を制御するように、周波数ｆ２の駆動信号の位相も周波数ｆ１の駆動信号の位相からずれている。

次に、投射面に形成されるビームスポットの移動速度について説明する。光走査装置１では、ビームを走査しながら時系列データに基づいてビーム強度を変化させたり、ビーム走査時の反射光の強度変化を時系列データとして検出したりする。これにより、画像の形成や投影、光学パターンの読み取りなどを行う。その際、ビームの移動速度が大きく変化すると、画像の歪や読み取り分解能のばらつきが生じてしまう。時系列データを補正してビーム強度の変化をビームの移動速度の変化に対応させる方法や、読み取り速度を移動速度の変化に対応させる方法も考えられる。しかし、これらの方法には高価で高速の制御手段が必要となる。投射面上のビームスポットの移動はできるだけ等速であることが要求される。振動ミラーのビーム走査角はサイン波状に角度変化するが、そのうち投射面上での等速性が得られる範囲の走査角が使用されてもよい。

図１４は、図１２Ａと同様に光走査の状態を示したものである。走査の中央を基準にして、ミラー部材１０４の回転振動によるビームの最大走査角をθoとする。そのうち実際に走査光が利用される有効範囲をθｅｆｆとする。走査中心から距離Ｌの位置にある投射面Ｐ上でθｅｆｆに相当する範囲をＸｅｆｆとしている。

投射面Ｐを図１２ＡのＰ１とすると、Ｘｅｆｆの位置は投射面Ｐ１の端部にあるＲ１’の位置に相当する。ビーム方向が角度θの方向とする。このときの、投射面Ｐ上に形成されるビームスポットの移動速度をＶとし、角度θ＝０の時の移動速度をＶoとする。Ｖoを基準にして、角度θに対する移動速度Ｖの変化率Ｖ／Ｖoは図１５Ａのようになる。横軸はビームの方向を示す角度θであり、縦軸は移動速度Ｖの変化率Ｖ／Ｖoである。最大走査角θoを増加させていくと図のｉ〜ｖのように角度θに対する移動速度Ｖが変化する。

このとき、スポット移動速度の許容誤差をΔｖとすると、ｉｉｉのグラフでこの範囲内にある角度、即ち、有効走査角θｅｆｆはΘ３である。最大走査角θoを増加させたｉｖのグラフでは有効走査角がΘ４に拡がる。しかし、さらに最大走査角を増加させたｖのグラフでは有効走査角がΘ５となって、Θ４よりも狭まる。よって、Θ４よりも最大走査角θoを増加しても有効走査角θｅｆｆを拡げることはできない。

図１５Ｂはこの最大走査角θoと有効走査角θｅｆｆの関係を示したものである。図１５Ｂによれば、許容誤差Δｖの大きさによって有効走査角θｅｆｆが最も広くなる最大走査角が異なる。

図１５Ｃは、許容誤差Δｖの大きさに対する最大の有効走査角θｅｆｆと、その有効走査角θｅｆｆを得るために必要な最大走査角θoを示している。許容誤差Δｖによる差はあるが、最大の有効走査角θｅｆｆを得るには、少なくとも４０度以上の最大走査角θoが必要となる。光走査装置１においては、短い投射距離で広い範囲の画像形成や読み取りを行うことが要求されることがある。よって、有効走査角θｅｆｆはできるだけ広くする。また、振動ミラーの小型化や消費電力の観点から最大走査角θｅｆｆはできるだけ狭くなってもよい。これらのことから、有効走査角θｅｆｆがピークとなる最大走査角θoで振動ミラーを動作させる。そのためには、最大走査角として走査の中央に対して±４０度以上、振動ミラーの回転振動振幅として±２０度以上に設定してもよい。小型の振動ミラーでこの振幅を実現するには、ミラーを支持するねじり梁１０１に高い強度と耐久性が必要である。たとえば、時効硬化型のＣｏ−Ｎｉ基合金をねじり梁１０１の材料として用いてもよい。

次に、光走査時の投射面に投射されるビームスポット径の変化について説明する。光走査装置１において、ビームスポット径は光走査により形成や投影される画像の精細度や、光学パターン読み取りの分解能に大きく影響する。このため、有効走査領域内でのビームスポット径の変動は極力少なくしてもよい。

図１６Ａに投射面上の位置によるビームスポット径の変化の一例を示す。図１６Ａによれば、図１４において投射距離Ｌ＝１７４ｍｍに設定し、振動ミラーの回転振動によって投射面中央Ｏからｘ軸方向へビームスポットを移動したときのビームスポット径の変化を示している。図１６Ａの横軸は投射面中央からの距離であり、縦軸はビームスポット径である。

図１６Ｂには、ミラー部材１０４の曲率を変化させるために圧電材に印加する駆動信号の一例を示す。周波数ｆ２の駆動信号は振動ミラーの回転振動の周波数、即ち、走査周波数ｆ１の２倍の周波数を持つ信号である。これは、図１３に示した周波数ｆ２の駆動信号と同じ信号である。周波数ｆ４の駆動信号は周波数ｆ１の４倍の周波数を持つ信号である。周波数ｆ２＋ｆ４の駆動信号は周波数ｆ２の駆動信号と周波数ｆ４の駆動信号を適当な比率で重畳して生成された信号である。走査面上の位置に依存したビームスポット径の変化は、走査周波数と同期したミラー変形を行わない場合には図１６Ａの“ｆ２なし”のグラフに示されたものとなる。図１６Ａによれば、走査端に向うにしたがって急激にスポット径が増大することがわかる。

これに対して、周波数ｆ２の駆動信号によりミラー部材１０４の曲率を変化させた場合のビームスポット径は、図１６Ａの“ｆ２のみ”のグラフに示されたものとなる。これにより、有効走査範囲Ｘｅｆｆ内でビームスポット径の変動を大幅に抑えることができる。さらに、周波数ｆ２と周波数ｆ４の駆動信号を重畳させて得られた駆動信号でミラー部材１０４の曲率を変化させた場合のビームスポット径は、図１６Ａの“ｆ２＋ｆ４”のグラフに示されたものとなる。位置に依らずにほぼ一定のビームスポット径を得ることができる。

上に述べた等速性やビームスポット径の安定化の効果は、振動ミラーが異常振動などを生じずに安定した光走査を行うことができる場合に得られるものである。本発明の振動ミラーを用いて最大走査角を適切に設定し、かつ、走査周波数の２倍および４倍の周波数を持つ駆動信号でミラーの曲率を制御してもよい。これにより、画像の形成や投影、光学パターンの読み取りなどを高精度に行うことが可能な光走査装置を実現できる。

本実施形態の光走査装置１は、上述した実施例１の画像読取装、及び実施例２の画像読取装置に適用可能であって、上述した他の実施形態と同様の効果を有する。また、本発明は、画像形成装置や画像投影装置にも適用可能である。

本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。

本願は、２０１２年４月２３日提出の日本国特許出願特願２０１２−０９８２２９号を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。

Claims (15)

1. ねじり梁と、前記ねじり梁に支持された可変焦点ミラーとを有し、前記ねじり梁にねじり振動を生じさせて前記可変焦点ミラーにより光束の向きを可変すると共に前記可変焦点ミラーのミラー面の曲率を変化させて被走査物に対して前記可変焦点ミラーの焦点を調整しながら、前記可変焦点ミラーのミラー面から反射する光束で前記被走査物の上を走査する光走査装置であって、
   第１の周波数の第１の電気信号を発生することで、前記ねじり梁にねじり振動を誘起させる第１電気信号生成部と、
   前記第１の周波数の２倍の周波数を有する第２の電気信号と、当該第１の周波数よりも低い第３の周波数の第３の電気信号とを発生することで、当該第２の電気信号による変形と当該第３の周波数の第３の電気信号による変形とを重畳させてなる曲げ振動を前記可変焦点ミラーに励起させる第２電気信号生成部と
   をさらに備えたことを特徴とする光走査装置。
2. 前記可変焦点ミラーは、前記ねじり梁と一体的に設けられたミラー部と、当該ミラー部の少なくとも一方面上に設けられた反射膜とを有することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記ねじり梁と前記可変焦点ミラーの少なくとも一部は金属材料により形成されており、
   前記可変焦点ミラーのミラー面は、前記第１の電気信号、前記第２の電気信号および前記第３の電気信号のいずれもが発生していない状態で曲げ変形していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光走査装置。
4. 前記被走査物は平面上の物体であり、前記可変焦点ミラーにより反射された光束のビームウエストが前記被走査物の上にあるように、前記第２の電気信号と前記第３の電気信号とによって前記可変焦点ミラーのミラー面の曲率を変化させることを特徴とする請求項１又は３に記載の光走査装置。
5. ねじり梁と、前記ねじり梁に支持された可変焦点ミラーとを有し、前記ねじり梁にねじり振動を生じさせて前記可変焦点ミラーにより光束の向きを可変すると共に前記可変焦点ミラーのミラー面の曲率を変化させて被走査物に対して前記可変焦点ミラーの焦点を調整しながら、前記可変焦点ミラーのミラー面から反射する光束で前記被走査物の上を走査する光走査装置であって、
   前記ねじり梁にねじり振動を生じさせるための第１の駆動信号と、前記可変焦点ミラーに曲げ変形を生じさせる第２の駆動信号とを同時に生成する駆動制御部を有し、前記駆動制御部は、前記第２の駆動信号として、前記第１の駆動信号における第１の周波数と異なる複数の周波数を重畳させた信号を生成することを特徴とする光走査装置。
6. 前記駆動制御部は、前記第２の駆動信号として、前記第１の周波数の偶数倍に相当する周波数の信号を含めて生成することを特徴とする請求項５に記載の光走査装置。
7. 前記駆動制御部は、前記第２の駆動信号として、前記第１の駆動信号における第１の周波数の２倍の周波数の信号と前記第１の周波数の４倍の周波数の信号とを重畳した信号を生成することを特徴とする請求項６に記載の光走査装置。
8. 前記駆動制御部は、前記第１の駆動信号を生成している間、前記第２の駆動信号を生成することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか１項に記載の光走査装置。
9. 前記ねじり梁の回転軸に対して対称な２つの位置に配置され、前記可変焦点ミラーを支持する２つの支持部をさらに備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光走査装置。
10. 磁石と、
    前記磁石に対応して設置され、前記第１の周波数の第１の電気信号を印加されて磁界を発生するコイルと
    をさらに備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光走査装置。
11. 前記２つの支持部を結合する結合部材と、
    前記ねじり梁として機能する、前記結合部材から延伸した２つの梁と、
    前記２つの梁のそれぞれに設けられ、前記第１の電気信号が印加される第１の圧電素子と
    をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の光走査装置。
12. 前記可変焦点ミラーにおいてミラー面の反対側の面に配置され、前記第２の電気信号と前記第３の電気信号が印加されることで、当該ミラー面の曲率を変化させる第２の圧電素子と
    をさらに備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光走査装置。
13. 前記第２の圧電素子は、略等間隔で配置された複数の圧電素子であることを特徴とする請求項１２に記載の光走査装置。
14. 前記第２の圧電素子は、前記可変焦点ミラーにおいてミラー面の反対側の面の端部と中央部とでそれぞれ異なる間隔で配置された複数の圧電素子であることを特徴とする請求項１２に記載の光走査装置。
15. 光束を出力する光源と、
    前記光源から出力された前記光束を被走査物に向けて可変する、請求項１ないし１４のいずれか１項に記載の光走査装置と、
    前記被走査物からの反射光を集光する集光部品と、
    前記集光部品により集光された反射光を受光する受光素子と
    を備えたことを特徴とする画像読取装置。

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