ガルバノミラーの位置制御装置
【課題】使用状況によらず安定した制振特性を得ることができるガルバノミラーの位置制御装置を提供する。
【解決手段】ガルバノミラーの制御装置２０は、揺動ミラーの目標角度に応じて指令電圧Ｖ０を出力するとき、角度検出部２４で揺動ミラーの角度θを検出し、検出された角度を角速度検出部２３で微分することにより角速度ωを検出し、フィルタ部２５で移動平均を求め、フィルタリング後の角速度に所定の比例ゲインＧを乗算することで補正電圧Ｖ１を算出し、補正電圧生成部２６で指令電圧Ｖ０から補正電圧Ｖ１を減算することにより、揺動ミラーの角速度ωに応じて補正された指令電圧Ｖ２をインバータ部２２に出力し、揺動ミラーの角速度ωの変化を抑制する。
【解決手段】ガルバノミラーの制御装置２０は、揺動ミラーの目標角度に応じて指令電圧Ｖ０を出力するとき、角度検出部２４で揺動ミラーの角度θを検出し、検出された角度を角速度検出部２３で微分することにより角速度ωを検出し、フィルタ部２５で移動平均を求め、フィルタリング後の角速度に所定の比例ゲインＧを乗算することで補正電圧Ｖ１を算出し、補正電圧生成部２６で指令電圧Ｖ０から補正電圧Ｖ１を減算することにより、揺動ミラーの角速度ωに応じて補正された指令電圧Ｖ２をインバータ部２２に出力し、揺動ミラーの角速度ωの変化を抑制する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイルに通電することにより揺動ミラーの角度を制御するガルバノミラーの位置制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガルバノミラーは、反射鏡とこの反射鏡に一体に取り付けられたコイルとを有する揺動ミラーが板バネなどの弾性支持部材により揺動自在に支持された構成を備えている。コイルの内周側には磁石が配置されている。磁界の中でコイルに通電するとローレンツ力が発生し、そのローレンツ力と板バネの復元力との釣り合いにより揺動ミラーの角度が定まる。具体的には、コイルに印加する電圧によって揺動ミラーの角度、即ちガルバノミラーの位置が定まるため、例えば角度・電圧変換テーブルなどを用いて、目標とする角度に応じた一定の電圧を出力する制御が行われている。
【０００３】
上述したように揺動ミラーは弾性的に支持されているので、揺動ミラーが目標角度を中心として振動することがある。そのため、例えば特許文献１に開示されているガルバノミラーでは、揺動ミラー（可動部）とミラーホルダ（固定部）との間にシリコンゲルなどの減衰部材を設け、揺動ミラーの振動を抑制することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−０４３３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の構成の場合、減衰部材の特性が温度により変化し、使用状況によっては所望の振動抑制効果（制振特性）を得ることができないという問題があった。また、減衰部材を設けることで組み立て工数や検査工数などが増加し、製造コストが増加するという問題もあった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、使用状況によらず安定した制振特性を得ることができるガルバノミラーの位置制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のガルバノミラーの位置制御装置は、反射鏡とコイルを有し弾性支持部材によって支持された揺動ミラーと、前記コイルに磁界が及ぶように固定配置された磁石とを備えたガルバノミラーの位置制御装置において、前記揺動ミラーの目標角度と前記コイルに印加する指令電圧との関係を予め規定しており、入力された目標角度に対応した指令電圧を出力する指令電圧生成手段と、前記揺動ミラーの角速度を検出する角速度検出手段と、前記検出された角速度にゲインを乗じることにより前記角速度に応じた補正電圧を生成する補正電圧生成手段と、前記指令電圧生成手段から出力された指令電圧から前記補正電圧を減じることにより補正された指令電圧を得る電圧補正手段と、前記補正された指令電圧に従って前記コイルに電圧を印加する電圧出力手段と、を備えていることを特徴とする（第１の手段）。
【０００８】
また、上記目的を達成するために、本発明のガルバノミラーの位置制御装置は、反射鏡とコイルを有し弾性支持部材によって支持された揺動ミラーと、前記コイルに磁界が及ぶように固定配置された磁石とを備えたガルバノミラーの位置制御装置において、前記揺動ミラーの目標角度と前記コイルに印加する指令電圧との関係を予め規定しており、入力された目標角度に対応した指令電圧を出力する指令電圧生成手段と、前記指令電圧に基づいてスイッチング動作をすることにより、前記コイルに対し前記指令電圧に応じた電圧を出力する電圧出力手段と、前記揺動ミラーの角速度を検出する角速度検出手段と、前記揺動ミラーの角度を検出する角度検出手段と、前記揺動ミラーに対し新たな目標角度が設定された場合に、前記指令電圧に基づいて前記新たな目標角度に向かって回転する前記揺動ミラーを減速させるための制動電圧を設定し、前記検出された角度が前記新たな目標角度に対して所定の範囲内に達したときに前記指令電圧に替えて前記制動電圧を前記電圧出力手段に出力し、前記検出された角速度が所定の閾値以下になったときに前記制動電圧に替えて前記指令電圧を前記電圧出力手段に出力する電圧指令切替手段と、を備えていることを特徴とする（第２の手段）。
【発明の効果】
【０００９】
上記第１の手段によれば、指令電圧から揺動ミラーの角速度に応じた補正電圧が減算され、補正された指令電圧がコイルに印加されるので、目標角度に達する前に揺動ミラーが減速され、振動を抑制することができる。
【００１０】
上記第２の手段によれば、揺動ミラーの角度が目標角度に対して所定の範囲内に達したときにコイルに対し指令電圧に替えて制動電圧を出力し、揺動ミラーの角速度が所定の閾値以下になったときに制動電圧に替えて指令電圧を出力するので、目標角度に達する前に揺動ミラーが減速され、振動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態による制御装置のブロック構成図
【図２】ガルバノミラーの断面図及び断面斜視図
【図３】インバータ部の電気的構成図
【図４】揺動ミラーの角度の時間変化を示す図
【図５】本発明の第２実施形態による制御装置のブロック構成図
【図６】図４相当図
【図７】本発明の第３実施形態による制御装置のブロック構成図
【図８】角速度検出部のブロック構成図
【図９】図４相当図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるガルバノミラーの位置制御装置について、図１から図４を参照して説明する。
【００１３】
図２は、ガルバノミラー１の構成を示す図であり、（Ａ）は縦断断面図、（Ｂ）は後述する上部メインミラーと反射鏡とを取り除いた状態でやや上方から見た断面斜視図である。ガルバノミラー１は、下部メインミラー２、上部メインミラー３、ヨーク４、磁石５及び揺動ミラー６から構成されている。下部メインミラー２は、ガラスなどにより円盤状に形成されており、上部メインミラー３は、ガラスなどにより円環状に形成されている。下部メインミラー２の上面には、上部メインミラー３とほぼ同じ内径を有する円環状のヨーク４と、ヨーク４の中心部に位置した円柱状の磁石５が配置されている。ヨーク４は、炭素鋼などで形成されている。磁石５は、例えばネオジムなどの希土類磁石、或いはフェライト磁石などである。これら下部メインミラー２、上部メインミラー３、ヨーク４及び磁石５は、固定部を形成している。
【００１４】
上部メインミラー３の内周側とヨーク４の内周側とで形成される円形凹部には、揺動ミラー６が収容されている。揺動ミラー６は、反射鏡７、板バネ８、コイル９及びコイル９を保持するボビン１０から構成されている。反射鏡７は、ガラスなどにより円盤状に形成されている。板バネ８は、ステンレスなどにより扁平に形成されており、反射鏡７及びボビン１０の外径と略等しい環状の保持部８ａを有している。この保持部８ａの上面には反射鏡７が接着剤などで固定されている。保持部８ａの下側にはボビン１０がネジ止めなどにより固定されている。
【００１５】
保持部８ａには、互いに１８０°離間した位置において径方向外側に延びる２本のトーションバー１１が設けられている。トーションバー１１は、例えばステンレスなどで形成されており、ねじれによる反発力を利用した弾性支持部材として機能する。各トーションバー１１の保持部８ａと反対側の端部には、矩形状の支持部８ｂが設けられている。この支持部８ｂは、ヨーク４の上面と上部メインミラー３の下面との間に挟み込まれており、トーションバー１１を介して揺動ミラー６を支持している。これにより、揺動ミラー６は、固定部に対して、２本のトーションバー１１を回転軸として揺動可能になっている。
【００１６】
ボビン１０は、下方に開口する有底円筒状に形成されており、その側壁内周側に沿ってコイル９が環状に巻装されている。コイル９の中央部には磁石５が位置しており、コイル９は、ヨーク４と磁石５との間に形成された磁界作用空間に位置している。
【００１７】
磁石５は、一対のトーションバー１１により形成される回転軸に対して線対称に磁極（Ｎ極、Ｓ極）が形成されている。揺動ミラー６のコイル９に電圧が印加されると、コイル９には磁石５から発生する磁界の中でローレンツ力が働く。具体的には、コイル９に電圧を印加すると、例えば磁石５のＮ極側と対向する側に上向き（反射鏡７を持ち上げる方向）のローレンツ力が働き、Ｓ極側と対向する側に下向き（反射鏡７を下げる方向）のローレンツ力が働く。その結果、揺動ミラー６は、トーションバー１１を回転軸として回転し、ローレンツ力とトーションバー１１の復元力とが釣り合う角度に保持される。つまり、揺動ミラー６は、コイル９への通電によりその角度を制御することができる。
【００１８】
図１は、ガルバノミラー１の位置制御装置（以下、単に制御装置という。）２０のブロック構成図である。制御装置２０は、指令電圧発生部２１、インバータ部２２、角速度検出部２３、角度検出部２４、フィルタ部２５、補正電圧生成部２６及び電圧補正部２７を備えている。
【００１９】
指令電圧発生部２１、角速度検出部２３、フィルタ部２５、補正電圧生成部２６、電圧補正部２７は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏなどを有するマイクロコンピュータで構成されており、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムに従って制御装置２０全体を制御する。指令電圧発生部２１は、図示しない入力部から揺動ミラー６の目標角度が入力されると、揺動ミラー６を当該目標角度に位置決めするために必要な指令電圧Ｖ０を出力する。この目標角度と指令電圧Ｖ０との関係は予め規定されており、変換テーブル（以下、データテーブルという。）としてＲＯＭなどに記憶されている。尚、目標角度と指令電圧Ｖ０との関係を関数として記憶しておき、目標角度が設定される毎に対応する指令電圧Ｖ０を算出する構成としてもよい。
【００２０】
図３は、インバータ部２２の電気的構成図である。インバータ部２２は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の４個のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４がコイル９に対してＨブリッジの形態に接続されているインバータ主回路２２ａ、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン／オフを制御するインバータ制御回路２２ｂから構成されている。インバータ主回路２２ａは直流電源から直流電圧Ｖｄｃ（本実施形態では５Ｖ）が供給される。つまり、インバータ部２２は、コイル９に印加する電圧を出力する電圧出力手段として機能する。
【００２１】
インバータ制御回路２２ｂは、指令電圧の電圧値に基づいたＰＷＭ制御信号を出力し、インバータ主回路２２ａをＰＷＭ制御してコイル９に印加する電圧を制御している。例えば、指令電圧が０Ｖの場合には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に与えるパルス状の制御信号のデューティ比を０％にし、５Ｖの場合にはデューティ比を１００％にした制御信号を出力する。
【００２２】
インバータ制御回路２２ｂは、図２（Ａ）に矢印Ｙで示す方向から視た場合に、揺動ミラー６を時計回り（以下、正転側という。）に回転させる場合には、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３をオフし、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４をＰＷＭ制御する。この場合、コイル９には実線で示す方向に電流が流れ、揺動ミラー６は正転側に回転する。一方、揺動ミラー６を正転側とは逆の方向（以下、逆転側という。）に回転させる場合には、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４をオフし、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３をＰＷＭ制御する。この場合には、コイル９には破線で示す方向に電流が流れ、揺動ミラー６は逆転側に回転する。
【００２３】
ガルバノミラー１が実際に使用される場合には、例えばガルバノミラー１本体（上部メインミラー３などの固定部）の向きが一定角度毎に変化し、揺動ミラー６（可動部）の角度もそれに追従するように変化する。そのため、図２（Ａ）の上方から入射した光が上部メインミラー３及び揺動ミラー６の反射鏡７で反射することにより、一定範囲の測量などを行うことが可能になる。その場合、揺動ミラー６の角度は、上記したようにコイル９に働くローレンツ力と弾性を有するトーションバー１１の反力との釣り合いにより定められる。このとき、目標角度に向かって回転する揺動ミラー６は、目標角度を行き過ぎたり（オーバーシュート）、或いは行き過ぎた後にまた戻ったり（アンダーシュート）する振動が発生し易い。そこで、制御装置２０は、揺動ミラー６の振動を抑制する制振制御を行っている。
【００２４】
角度検出部２４は、変位センサなどの周知の検出手段により揺動ミラー６の角度θを検出する。角速度検出部２３は、角度検出部２４で検出された角度θを微分して角速度ωを検出する。フィルタ部２５は、角速度ωの移動平均を求めるローパスフィルタであって、検出された角速度ωから高周波成分（ノイズ成分）を除去する。補正電圧生成部２６は、乗算器で構成されており、ノイズ成分が除去された角速度ωに所定の比例ゲインＧを乗算することにより、角速度ωに応じた補正電圧Ｖ１を算出する。尚、比例ゲインＧは、その大きさを調整可能に構成されている。
【００２５】
電圧補正部２７は、減算器で構成されており、指令電圧Ｖ０から補正電圧Ｖ１を減算し、インバータ部２２のインバータ制御回路２２ｂに補正された指令電圧Ｖ２を出力する。即ち、インバータ部２２には、データテーブルから読み出された指令電圧Ｖ０がそのまま出力されるのではなく、揺動ミラー６の角速度ωに応じて補正された指令電圧Ｖ２が出力される。
【００２６】
このように、制御装置２０は、インバータ部２２に出力される（コイル９に印加される）電圧を、揺動ミラー６の角速度ωに応じて可変する制御（制振制御）を行っている。
図４は、揺動ミラー６の角度と時間との関係を示す図である。同図に破線で示すグラフＧ１は、上記した制振制御を行わない場合、つまりデータテーブルから読み出した指令電圧Ｖ０をそのままインバータ部２２に出力した場合の角度を示している。一方、実線で示すグラフＧ２は、制振制御を行った場合、つまり補正した指令電圧Ｖ２をインバータ部２２に出力した場合の角度を示している。
【００２７】
制振制御を行わなかった場合（Ｇ１）には、目標角度に対するオーバーシュート及びアンダーシュートの大きさが揺動ミラー６に許容されている上限値（許容上限）と下限値（許容下限）とを大きく逸脱しているとともに、許容値に収まるまでに約０．０１６ｓｅｃの時間がかかっている。これに対して、制振制御を行った場合（Ｇ２）には、振動量のピークがほぼ半減しているとともに、許容値に収まるまでの時間（ほぼ目標角度に収束する時間）が約０．００４ｓｅｃとなり、制振制御を行わない場合に比べて約１／４程度になっている。このように、制振制御を行うことにより、振動を抑制する制振特性が大幅に改善されている。
【００２８】
この制振制御においては、揺動ミラー６のオーバーシュート及びアンダーシュートは、比例ゲインＧの値を大きくするにしたがって小さくなる。即ち、比例ゲインＧを大きくするほど揺動ミラー６の角速度ωに対する指令電圧Ｖ０の低減効果が大きくなり、揺動ミラー６の角速度ωを抑制する効果が生じ、目標角度に到達したときの振動が抑制される。ただし、その場合には、目標角度に整定するまでの時間が長くなるなどの不都合が生じるおそれがある。そのため、比例ゲインＧの値は、使用目的に応じて、許容される振動と整定時間との兼ね合いにより、最適な値に調整すればよい。例えばガルバノミラー１を測量装置などに用いる場合には、振動が許容範囲に収まった時点で測量が可能となるため、整定時間が測量にかかる時間に直接影響する。この場合、測量時間を短くするためには、整定時間が短くなるように比例ゲインＧを設定すればよい。
【００２９】
以上説明した第１実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
電圧補正部２７は、指令電圧Ｖ０の代わりに揺動ミラー６の角速度ωに応じて補正された指令電圧Ｖ２をインバータ部２２に出力する。これにより、揺動ミラー６の角速度ωが大きい場合には補正された指令電圧Ｖ２が小さくなり、揺動ミラー６の角速度ωが低下する。つまり、揺動ミラー６は、目標角度に到達する前に十分に減速され、目標角度を大きく超えることがなくなる。従って、揺動ミラー６の振動を抑えることができる。
【００３０】
また、角速度ωが小さい場合には、補正電圧Ｖ１の値が小さくなる。そのため、補正後の指令電圧Ｖ２は、元の指令電圧Ｖ０に近い値となる。これにより、角速度ωが過度に低下することが防止され、目標角度に到達するまでに要する時間が必要以上に長くなることがない。
【００３１】
制振制御をマイクロコンピュータで行っているので、温度により特性が変化するシリコンゲルなどの減衰部材を設ける必要がない。従って、使用状況（温度、湿度など）によらず安定した制振特性を得ることができるとともに、コストを抑制することができる。
【００３２】
角速度検出部２３と補正電圧生成部２６との間に、角速度ωの移動平均を求めるフィルタ部２５を設けたので、ノイズの混入などに伴う角速度検出時の誤差が制振制御に与える影響を抑えることができる。
補正電圧生成部２６のゲインを調整可能にしたので、使用目的に応じて最適なゲインを設定することができ、制振制御を効率良く実施することができる。
【００３３】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態によるガルバノミラーの位置制御装置を、図５及び図６を参照して説明する。第２実施形態は、指令電圧を補正電圧により変化させるのではなく、揺動ミラーの角度及び角速度に応じてインバータ部（電圧出力手段）に出力する電圧を切り替えることにより振動を抑制する。尚、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。また、揺動ミラー６と上部メインミラー３とが水平になる角度を０°とし、０°から正転する方向を正の角度範囲とし、０°から逆転する方向を負の角度範囲として角度に符号「−」を付す。
【００３４】
図５は、制御装置３０を示すブロック構成図である。制御装置３０は、指令電圧発生部２１、インバータ部２２、角度検出部２４、角速度検出部２３及び電圧指令切替部３１を備えている。電圧指令切替部３１は、指令電圧発生部２１とともにマイクロコンピュータにより構成されており、静止状態（前回設定された角度で安定している状態）における揺動ミラー６の角度を初期角度θ１として記憶している。また、電圧指令切替部３１には、角速度検出部２３から揺動ミラーの角速度ωが、角度検出部２４から揺動ミラーの角度θが入力される。
【００３５】
初期角度θ１で静止している状態から新たな目標角度θ２が設定されて揺動ミラー６が回転を開始すると、電圧指令切替部３１は、角度検出部２４で検出される現在の角度θが、初期角度θ１から目標角度θ２までの間において所定の角度範囲内（例えば、目標角度θ２に対して±｜θ２―θ１｜／２の角度範囲内）に達したか否かを判定している。
【００３６】
電圧指令切替部３１は、現在の角度θが上記所定の角度範囲内に達すると、目標角度θ２に向かって回転する揺動ミラー６を減速させるための制動電圧を出力する。
この制動電圧の設定方法について詳細に説明する。電圧指令切替部３１は、まず揺動ミラー６の回転方向を検出する。目標角度θ２に対応して指令電圧発生部２１から出力された指令電圧が、初期角度θ１に対応する指令電圧よりも大きい場合には、目標角度θ２＞初期角度θ１であると判断して、正転であると判定する。また、指令電圧が初期角度θ１に対応する指令電圧よりも小さい場合には、目標角度θ２＜初期角度θ１であると判断して、逆転であると判定する。尚、電圧指令切替部３１は、角度検出部２４で検出した揺動ミラー６の角度θの変化から、或いは角度指令値そのものから揺動ミラー６の回転方向を検出してもよい。
【００３７】
電圧指令切替部３１は、揺動ミラー６の回転方向を検出すると、新たな目標角度θ２に向かって回転している揺動ミラー６を減速させるための電圧、即ち回転方向の発生トルクを低減させる電圧または回転方向とは逆のトルクを発生させる電圧を制動電圧として設定する。例えば、静止状態の角度（初期角度θ１）が０°（０°に対応する指令電圧は０Ｖと仮定する。）、新たな目標角度θ２が１°（１°に対応する指令電圧は１Ｖと仮定する。）の場合、目標角度θ２よりも初期角度θ１側の角度に対応する電圧（一例として０Ｖ）を制動電圧として設定すればよい。
【００３８】
指令電圧（１Ｖ）に替えて制動電圧（０Ｖ）がインバータ部２２に出力されると、インバータ制御回路２２ｂ（図３参照）は、ＰＷＭ制御信号のデューティ比を０％にする（スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４全てのスイッチング動作を停止する）。その場合、揺動ミラー６は、それまでの回転運動の慣性により目標角度θ２に向かって回転を続けるものの、制動電圧により発生するトルク及びトーションバー１１の反力により、制動電圧の印加前よりも大きい割合で角速度が低下する。このように、電圧指令切替部３１は、揺動ミラー６の角度θに応じて、指令電圧に替えて制動電圧をインバータ部２２に出力し、ＰＷＭ制御信号の出力を停止（オフ）する（制動電圧として０Ｖを設定した場合）。
【００３９】
電圧指令切替部３１は、制動電圧を出力すると、角速度検出部２３で検出される角速度ωが所定の閾値以下になったか否かを判定する。本実施形態では、閾値として０．０００６５ｒａｄ／ｓを設定してある。電圧指令切替部３１は、揺動ミラー６の角速度が所定の閾値以下になったと判定すると、制動電圧に替えて再び指令電圧Ｖ０を出力する。尚、閾値は、初期角度θ１や目標角度θ２、或いは移動量｜θ２―θ１｜の大きさになどに基づいて、角速度ωと制動電圧による減速割合との兼ね合いにより適宜設定すればよい。
【００４０】
インバータ部２２に再び指令電圧Ｖ０が出力されると、揺動ミラー６は、角速度が十分に小さい状態で目標角度θ２に向かって回転する。この場合、揺動ミラー６は、慣性により目標角度θ２近くまで回転していることから、揺動ミラー６の角速度の変化はごく僅かに抑えられる。即ち、揺動ミラー６は、角速度が０ｒａｄ／ｓに近い状態で目標角度θ２に到達し、揺動ミラー６が目標角度θ２を大きく行き過ぎたりする振動が抑制される。
【００４１】
このように、揺動ミラー６の角度及び角速度に応じて指令電圧Ｖ０と制動電圧とを切り替えて出力することにより、揺動ミラー６のオーバーシュートやアンダーシュートが抑制され、制振制御が可能となる。
【００４２】
また、上記した０°から１°のような正の角度領域への回転だけでなく、０°から負の角度領域への回転の場合も同様な制御を行うことが可能である。さらに、揺動ミラー６が正の角度範囲において逆転する場合、例えばθ１からθ２（θ１＞θ２）へ回転する場合などには、電圧指令切替部３１は、制動電圧として、少なくともθ２に対応する指令電圧よりも高い電圧（一例として初期角度θ１に対応する指令電圧である５Ｖ）を設定すればよい。これにより、逆転する揺動ミラー６にその回転を妨げる向きの力が発生し、目標角度θ２に達する前に角速度を低下させることができる。勿論、負の角度領域において正転する場合（例えば、−５°から−３°への回転する場合）であっても、同様に揺動ミラー６の角速度を低下させることができる。
【００４３】
図６は、揺動ミラー６の角度の変化を示す図である。破線のグラフＧ３は、制振制御を行わない場合の角度の変化を示し、実線のグラフＧ４は制振制御を行った場合の角度の変化を示している。制御装置３０により上記した制振制御を行った場合には、グラフＧ４に示すように、揺動ミラー６の角度は、オーバーシュート及びアンダーシュートが小さくなるとともに、許容範囲内に迅速に収束している。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態では、揺動ミラー６の角度θが目標角度θ２までの範囲のうち所定の角度範囲に達したときに指令電圧Ｖ０に替えて制動電圧を出力し、揺動ミラー６の角速度が閾値以下になったときに制動電圧に替えて再び指令電圧Ｖ０を出力する。これにより、揺動ミラー６は目標角度θ２に到達する前に十分に減速され、目標角度θ２を大きく行き過ぎたりすることがない。従って、揺動ミラー６の振動を抑制することができる。
【００４５】
電圧指令切替部３１を指令電圧Ｖ０と制動電圧とを切り替える簡単な構成とすることにより、コストの増加を招くことなく、振動抑制効果を得ることができる。また、電圧指令切替部３１を指令電圧発生部２１とともにマイクロコンピュータで構成したので、追加の回路部品も必要としない。
制振制御をマイクロコンピュータで行っているので、温度により特性が変化するシリコンゲルなどの減衰部材を設ける必要がない。従って、第１実施形態と同様に、使用状況（温度、湿度など）によらず安定した制振特性を得ることができる。また、
【００４６】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態によるガルバノミラーの位置制御装置を、図７から図９を参照して説明する。第３実施形態は、揺動ミラーの角度をコイルに流れる電流から算出している点が第１実施形態と異なっている。尚、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４７】
図７は、制御装置４０のブロック構成図である。制御装置４０は、電圧指令発生部２１、インバータ部２２、フィルタ部２５、補正電圧生成部２６、電圧補正部２７、電流検出部４１、角速度検出部４２を備えている。電流検出部４１は、抵抗値Ｒのシャント抵抗４１ａとマイクロコンピュータに設けられた演算器４１ｂとを備えている。電流検出部４１は、コイル９に電流Ｉが流れたときにシャント抵抗４１ａに生じる電位差Ｅから、電流Ｉ＝Ｅ／Ｒを検出し、角速度検出部４２に出力する。
【００４８】
図８は、角速度検出部４２の詳細な構成を示すブロック構成図である。角速度検出部４２は、トルク算出器４３、反力算出器４４、粘性力算出器４５を備えている。トルク算出器４３は、電流Ｉに揺動ミラー６のトルク定数Ｋｔを乗算することにより発生トルクＴを算出する。反力算出器４４は、前回算出した角度θ０にトーションバー１１のばね定数Ｋｒを乗算することにより反力Ｆｒを算出する。粘性力算出器４５は、前回演算した角速度ω０に揺動ミラー６を含む可動部の粘性係数Ｋｖを乗算することにより粘性力Ｆｖを算出する。ここで、「前回算出した角度」と「前回算出した角速度」は、直前の演算周期において算出された角度と角速度を意味している。
【００４９】
各算出器４３〜４５で算出された発生トルクＴ、反力Ｆｒ、粘性力Ｆｖの関係は、揺動ミラー６の慣性モーメントをＪ、角加速度をαをとした場合、以下の運動方程式で表される。
Ｊ・α＝Ｔ−Ｆｒ−Ｆｖ
角速度検出部４２は、加減算器４６及び除算器４７を備えており、上記の運動方程式から揺動ミラー６の角加速度αをα＝（Ｔ−Ｆｒ−Ｆｖ）／Ｊとして算出する。この角加速度αを積分器４８で積分することにより、揺動ミラー６の角速度ωが算出される。角速度検出部４２は、算出した角速度ωをフィルタ部２５に出力するとともに、角速度ωを積分器４９で積分することにより角度θを算出する。
【００５０】
制御装置４０は、角速度ωが検出されると、フィルタ部２５で移動平均を求め、比例ゲインＧを乗算して補正電圧Ｖ１を算出し、電圧補正部２７で指令電圧Ｖ０から補正電圧Ｖ１を減算して、インバータ部２２に補正された指令電圧Ｖ２を出力する制振制御を行う。
【００５１】
図９は、電流Ｉから算出された角速度ωに基づいた制振制御を行った場合の角度の変化を示す図である。破線のグラフＧ５は、制振制御を行わない場合の角度の変化を示し、実線のグラフＧ６は制振制御を行った場合の角度の変化を示している。制御装置４０により上記した制振制御を行った場合には、グラフＧ６に示すように、揺動ミラー６の角度は、オーバーシュート及びアンダーシュートが抑制されるとともに、許容範囲内に収束するまでにかかる時間（整定時間）も短縮されている。
【００５２】
このように、コイル９に流れる電流Ｉによって算出された角速度ωに基づいた場合でも、第1実施形態と同様に揺動ミラー６の振動を低減することができる。
特に、本実施形態では、揺動ミラー６の角速度ωの検出を、外部の角度検出部ではなく、指令電圧発生部２１等を構成するマイクロコンピュータで行っているので、検出時の演算或いは信号伝達経路による遅延などが抑制される。そのため、揺動ミラー６の実際の角度と検出された角度（演算後の角度）との誤差が低減され、揺動ミラー６の正確な検出角度及び角速度に基づいて制御を行うことができる。また、角度検出部を設ける必要がないので、コストの増加を招くことがない。
【００５３】
（その他の実施形態）
本発明は、以上説明した各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば以下のように変形または拡張することができる。
【００５４】
トーションバー１１、保持部８ａ及び支持部８ｂを一体に形成してもよい。
インバータ部２２は、ＰＷＭ制御ではなく、例えばＰＡＭ制御によりコイル９に印加する電圧を制御するなど、他の制御方法で構成してもよい。また、Ｈブリッジ回路に限らず、揺動ミラー６を正転側／逆転側に回転させることができる回路構成としてもよい。
【００５５】
インバータ制御回路２２ｂを、指令電圧発生部２１などを構成するマイクロコンピュータで兼用してもよい。
角速度検出部２３、フィルタ部２５、補正電圧生成部２６、電圧補正部２７は、オペアンプなどのハードウェアで構成してもよい。
【００５６】
第１実施形態において、固定された比例ゲインＧに限らず、角速度ωの大きさに応じてその値が変化するような種々のゲインを乗算するようにしてもよい。
第１及び第３実施形態において、フィルタ部２５（ローパスフィルタ）は必須ではない。
【００５７】
第２実施形態において、制御装置３０に電流検出部を設け、コイル９に流れる電流Iから揺動ミラー６の角度θを算出する構成としてもよい。
第２実施形態において、制動電圧は０Ｖや５Ｖに限定されない。例えば、揺動ミラー６の角度と指令電圧との対応が、０°のとき０Ｖ、３°のとき３Ｖ、５°のとき５Ｖのような関係である場合、例えば０°から３°への回転であれば１Ｖを制動電圧として出力してもよい。或いは、５°から２°への回転であれば４Ｖを制動電圧として出力してもよい。即ち、制動電圧としては、揺動ミラー６の回転の方向に応じて、揺動ミラー６の現在の角度θよりも回転方向に対して逆方向に位置する角度に対応した指令電圧値などの他の電圧を適宜設定してもよい。
【００５８】
第２実施形態において、所定の角度範囲の境界値として設定する角度は、目標角度θ２までの１／２の角度に限らず、回転量Δθ（θ２−θ１）のうち所定割合移動した角度、或いは目標角度θ２までの残りが所定の角度などに設定してもよい。また、境界値を固定ではなく可変とする構成としてもよい。例えば、角度０°から１°に回転する場合と、角度４°から角度５°に回転する場合とでは、回転量Δθは同じ１°であるものの、トーションバー１１による反力が異なる。そのため、初期角度θ１の値に応じて、或いは回転量Δθの大きさに応じて、境界値として設定する角度を変化させるようにしてもよい。
【００５９】
第３実施形態において、電流検出部４１を電流センサなどで電流値を直接検出する構成としてもよい。尚、反力Ｆｒを算出する場合には、板バネ８のばね定数も考慮することが望ましい。
【００６０】
シャント抵抗４１ａをコイル９に直列に接続したが、シャント抵抗４１ａをＨブリッジ回路の下アームのスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４のソース端子側に直列に接続するなどの構成としてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
図面中、１はガルバノミラー、５は磁石、６は揺動ミラー、７は反射鏡、８は板バネ（弾性支持部材）、９はコイル、１１はトーションバー（弾性支持部材）、２０、３０、４０は制御装置（位置制御装置）、２１は指令電圧発生部（指令電圧生成手段）、２２はインバータ部（電圧出力手段）、２３、４２は角速度検出部（角速度検出手段）、２４は角度検出部（角度検出手段）、２５はフィルタ部（ローパスフィルタ）、２６は補正電圧生成部（補正電圧生成手段）、２７は電圧補正部（電圧補正手段）、３１は電圧指令切替部（電圧指令切替手段）、４１は電流検出部（電流検出手段）を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイルに通電することにより揺動ミラーの角度を制御するガルバノミラーの位置制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガルバノミラーは、反射鏡とこの反射鏡に一体に取り付けられたコイルとを有する揺動ミラーが板バネなどの弾性支持部材により揺動自在に支持された構成を備えている。コイルの内周側には磁石が配置されている。磁界の中でコイルに通電するとローレンツ力が発生し、そのローレンツ力と板バネの復元力との釣り合いにより揺動ミラーの角度が定まる。具体的には、コイルに印加する電圧によって揺動ミラーの角度、即ちガルバノミラーの位置が定まるため、例えば角度・電圧変換テーブルなどを用いて、目標とする角度に応じた一定の電圧を出力する制御が行われている。
【０００３】
上述したように揺動ミラーは弾性的に支持されているので、揺動ミラーが目標角度を中心として振動することがある。そのため、例えば特許文献１に開示されているガルバノミラーでは、揺動ミラー（可動部）とミラーホルダ（固定部）との間にシリコンゲルなどの減衰部材を設け、揺動ミラーの振動を抑制することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−０４３３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の構成の場合、減衰部材の特性が温度により変化し、使用状況によっては所望の振動抑制効果（制振特性）を得ることができないという問題があった。また、減衰部材を設けることで組み立て工数や検査工数などが増加し、製造コストが増加するという問題もあった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、使用状況によらず安定した制振特性を得ることができるガルバノミラーの位置制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のガルバノミラーの位置制御装置は、反射鏡とコイルを有し弾性支持部材によって支持された揺動ミラーと、前記コイルに磁界が及ぶように固定配置された磁石とを備えたガルバノミラーの位置制御装置において、前記揺動ミラーの目標角度と前記コイルに印加する指令電圧との関係を予め規定しており、入力された目標角度に対応した指令電圧を出力する指令電圧生成手段と、前記揺動ミラーの角速度を検出する角速度検出手段と、前記検出された角速度にゲインを乗じることにより前記角速度に応じた補正電圧を生成する補正電圧生成手段と、前記指令電圧生成手段から出力された指令電圧から前記補正電圧を減じることにより補正された指令電圧を得る電圧補正手段と、前記補正された指令電圧に従って前記コイルに電圧を印加する電圧出力手段と、を備えていることを特徴とする（第１の手段）。
【０００８】
また、上記目的を達成するために、本発明のガルバノミラーの位置制御装置は、反射鏡とコイルを有し弾性支持部材によって支持された揺動ミラーと、前記コイルに磁界が及ぶように固定配置された磁石とを備えたガルバノミラーの位置制御装置において、前記揺動ミラーの目標角度と前記コイルに印加する指令電圧との関係を予め規定しており、入力された目標角度に対応した指令電圧を出力する指令電圧生成手段と、前記指令電圧に基づいてスイッチング動作をすることにより、前記コイルに対し前記指令電圧に応じた電圧を出力する電圧出力手段と、前記揺動ミラーの角速度を検出する角速度検出手段と、前記揺動ミラーの角度を検出する角度検出手段と、前記揺動ミラーに対し新たな目標角度が設定された場合に、前記指令電圧に基づいて前記新たな目標角度に向かって回転する前記揺動ミラーを減速させるための制動電圧を設定し、前記検出された角度が前記新たな目標角度に対して所定の範囲内に達したときに前記指令電圧に替えて前記制動電圧を前記電圧出力手段に出力し、前記検出された角速度が所定の閾値以下になったときに前記制動電圧に替えて前記指令電圧を前記電圧出力手段に出力する電圧指令切替手段と、を備えていることを特徴とする（第２の手段）。
【発明の効果】
【０００９】
上記第１の手段によれば、指令電圧から揺動ミラーの角速度に応じた補正電圧が減算され、補正された指令電圧がコイルに印加されるので、目標角度に達する前に揺動ミラーが減速され、振動を抑制することができる。
【００１０】
上記第２の手段によれば、揺動ミラーの角度が目標角度に対して所定の範囲内に達したときにコイルに対し指令電圧に替えて制動電圧を出力し、揺動ミラーの角速度が所定の閾値以下になったときに制動電圧に替えて指令電圧を出力するので、目標角度に達する前に揺動ミラーが減速され、振動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態による制御装置のブロック構成図
【図２】ガルバノミラーの断面図及び断面斜視図
【図３】インバータ部の電気的構成図
【図４】揺動ミラーの角度の時間変化を示す図
【図５】本発明の第２実施形態による制御装置のブロック構成図
【図６】図４相当図
【図７】本発明の第３実施形態による制御装置のブロック構成図
【図８】角速度検出部のブロック構成図
【図９】図４相当図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるガルバノミラーの位置制御装置について、図１から図４を参照して説明する。
【００１３】
図２は、ガルバノミラー１の構成を示す図であり、（Ａ）は縦断断面図、（Ｂ）は後述する上部メインミラーと反射鏡とを取り除いた状態でやや上方から見た断面斜視図である。ガルバノミラー１は、下部メインミラー２、上部メインミラー３、ヨーク４、磁石５及び揺動ミラー６から構成されている。下部メインミラー２は、ガラスなどにより円盤状に形成されており、上部メインミラー３は、ガラスなどにより円環状に形成されている。下部メインミラー２の上面には、上部メインミラー３とほぼ同じ内径を有する円環状のヨーク４と、ヨーク４の中心部に位置した円柱状の磁石５が配置されている。ヨーク４は、炭素鋼などで形成されている。磁石５は、例えばネオジムなどの希土類磁石、或いはフェライト磁石などである。これら下部メインミラー２、上部メインミラー３、ヨーク４及び磁石５は、固定部を形成している。
【００１４】
上部メインミラー３の内周側とヨーク４の内周側とで形成される円形凹部には、揺動ミラー６が収容されている。揺動ミラー６は、反射鏡７、板バネ８、コイル９及びコイル９を保持するボビン１０から構成されている。反射鏡７は、ガラスなどにより円盤状に形成されている。板バネ８は、ステンレスなどにより扁平に形成されており、反射鏡７及びボビン１０の外径と略等しい環状の保持部８ａを有している。この保持部８ａの上面には反射鏡７が接着剤などで固定されている。保持部８ａの下側にはボビン１０がネジ止めなどにより固定されている。
【００１５】
保持部８ａには、互いに１８０°離間した位置において径方向外側に延びる２本のトーションバー１１が設けられている。トーションバー１１は、例えばステンレスなどで形成されており、ねじれによる反発力を利用した弾性支持部材として機能する。各トーションバー１１の保持部８ａと反対側の端部には、矩形状の支持部８ｂが設けられている。この支持部８ｂは、ヨーク４の上面と上部メインミラー３の下面との間に挟み込まれており、トーションバー１１を介して揺動ミラー６を支持している。これにより、揺動ミラー６は、固定部に対して、２本のトーションバー１１を回転軸として揺動可能になっている。
【００１６】
ボビン１０は、下方に開口する有底円筒状に形成されており、その側壁内周側に沿ってコイル９が環状に巻装されている。コイル９の中央部には磁石５が位置しており、コイル９は、ヨーク４と磁石５との間に形成された磁界作用空間に位置している。
【００１７】
磁石５は、一対のトーションバー１１により形成される回転軸に対して線対称に磁極（Ｎ極、Ｓ極）が形成されている。揺動ミラー６のコイル９に電圧が印加されると、コイル９には磁石５から発生する磁界の中でローレンツ力が働く。具体的には、コイル９に電圧を印加すると、例えば磁石５のＮ極側と対向する側に上向き（反射鏡７を持ち上げる方向）のローレンツ力が働き、Ｓ極側と対向する側に下向き（反射鏡７を下げる方向）のローレンツ力が働く。その結果、揺動ミラー６は、トーションバー１１を回転軸として回転し、ローレンツ力とトーションバー１１の復元力とが釣り合う角度に保持される。つまり、揺動ミラー６は、コイル９への通電によりその角度を制御することができる。
【００１８】
図１は、ガルバノミラー１の位置制御装置（以下、単に制御装置という。）２０のブロック構成図である。制御装置２０は、指令電圧発生部２１、インバータ部２２、角速度検出部２３、角度検出部２４、フィルタ部２５、補正電圧生成部２６及び電圧補正部２７を備えている。
【００１９】
指令電圧発生部２１、角速度検出部２３、フィルタ部２５、補正電圧生成部２６、電圧補正部２７は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏなどを有するマイクロコンピュータで構成されており、ＲＯＭに記憶されている制御プログラムに従って制御装置２０全体を制御する。指令電圧発生部２１は、図示しない入力部から揺動ミラー６の目標角度が入力されると、揺動ミラー６を当該目標角度に位置決めするために必要な指令電圧Ｖ０を出力する。この目標角度と指令電圧Ｖ０との関係は予め規定されており、変換テーブル（以下、データテーブルという。）としてＲＯＭなどに記憶されている。尚、目標角度と指令電圧Ｖ０との関係を関数として記憶しておき、目標角度が設定される毎に対応する指令電圧Ｖ０を算出する構成としてもよい。
【００２０】
図３は、インバータ部２２の電気的構成図である。インバータ部２２は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の４個のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４がコイル９に対してＨブリッジの形態に接続されているインバータ主回路２２ａ、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン／オフを制御するインバータ制御回路２２ｂから構成されている。インバータ主回路２２ａは直流電源から直流電圧Ｖｄｃ（本実施形態では５Ｖ）が供給される。つまり、インバータ部２２は、コイル９に印加する電圧を出力する電圧出力手段として機能する。
【００２１】
インバータ制御回路２２ｂは、指令電圧の電圧値に基づいたＰＷＭ制御信号を出力し、インバータ主回路２２ａをＰＷＭ制御してコイル９に印加する電圧を制御している。例えば、指令電圧が０Ｖの場合には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に与えるパルス状の制御信号のデューティ比を０％にし、５Ｖの場合にはデューティ比を１００％にした制御信号を出力する。
【００２２】
インバータ制御回路２２ｂは、図２（Ａ）に矢印Ｙで示す方向から視た場合に、揺動ミラー６を時計回り（以下、正転側という。）に回転させる場合には、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３をオフし、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４をＰＷＭ制御する。この場合、コイル９には実線で示す方向に電流が流れ、揺動ミラー６は正転側に回転する。一方、揺動ミラー６を正転側とは逆の方向（以下、逆転側という。）に回転させる場合には、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４をオフし、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３をＰＷＭ制御する。この場合には、コイル９には破線で示す方向に電流が流れ、揺動ミラー６は逆転側に回転する。
【００２３】
ガルバノミラー１が実際に使用される場合には、例えばガルバノミラー１本体（上部メインミラー３などの固定部）の向きが一定角度毎に変化し、揺動ミラー６（可動部）の角度もそれに追従するように変化する。そのため、図２（Ａ）の上方から入射した光が上部メインミラー３及び揺動ミラー６の反射鏡７で反射することにより、一定範囲の測量などを行うことが可能になる。その場合、揺動ミラー６の角度は、上記したようにコイル９に働くローレンツ力と弾性を有するトーションバー１１の反力との釣り合いにより定められる。このとき、目標角度に向かって回転する揺動ミラー６は、目標角度を行き過ぎたり（オーバーシュート）、或いは行き過ぎた後にまた戻ったり（アンダーシュート）する振動が発生し易い。そこで、制御装置２０は、揺動ミラー６の振動を抑制する制振制御を行っている。
【００２４】
角度検出部２４は、変位センサなどの周知の検出手段により揺動ミラー６の角度θを検出する。角速度検出部２３は、角度検出部２４で検出された角度θを微分して角速度ωを検出する。フィルタ部２５は、角速度ωの移動平均を求めるローパスフィルタであって、検出された角速度ωから高周波成分（ノイズ成分）を除去する。補正電圧生成部２６は、乗算器で構成されており、ノイズ成分が除去された角速度ωに所定の比例ゲインＧを乗算することにより、角速度ωに応じた補正電圧Ｖ１を算出する。尚、比例ゲインＧは、その大きさを調整可能に構成されている。
【００２５】
電圧補正部２７は、減算器で構成されており、指令電圧Ｖ０から補正電圧Ｖ１を減算し、インバータ部２２のインバータ制御回路２２ｂに補正された指令電圧Ｖ２を出力する。即ち、インバータ部２２には、データテーブルから読み出された指令電圧Ｖ０がそのまま出力されるのではなく、揺動ミラー６の角速度ωに応じて補正された指令電圧Ｖ２が出力される。
【００２６】
このように、制御装置２０は、インバータ部２２に出力される（コイル９に印加される）電圧を、揺動ミラー６の角速度ωに応じて可変する制御（制振制御）を行っている。
図４は、揺動ミラー６の角度と時間との関係を示す図である。同図に破線で示すグラフＧ１は、上記した制振制御を行わない場合、つまりデータテーブルから読み出した指令電圧Ｖ０をそのままインバータ部２２に出力した場合の角度を示している。一方、実線で示すグラフＧ２は、制振制御を行った場合、つまり補正した指令電圧Ｖ２をインバータ部２２に出力した場合の角度を示している。
【００２７】
制振制御を行わなかった場合（Ｇ１）には、目標角度に対するオーバーシュート及びアンダーシュートの大きさが揺動ミラー６に許容されている上限値（許容上限）と下限値（許容下限）とを大きく逸脱しているとともに、許容値に収まるまでに約０．０１６ｓｅｃの時間がかかっている。これに対して、制振制御を行った場合（Ｇ２）には、振動量のピークがほぼ半減しているとともに、許容値に収まるまでの時間（ほぼ目標角度に収束する時間）が約０．００４ｓｅｃとなり、制振制御を行わない場合に比べて約１／４程度になっている。このように、制振制御を行うことにより、振動を抑制する制振特性が大幅に改善されている。
【００２８】
この制振制御においては、揺動ミラー６のオーバーシュート及びアンダーシュートは、比例ゲインＧの値を大きくするにしたがって小さくなる。即ち、比例ゲインＧを大きくするほど揺動ミラー６の角速度ωに対する指令電圧Ｖ０の低減効果が大きくなり、揺動ミラー６の角速度ωを抑制する効果が生じ、目標角度に到達したときの振動が抑制される。ただし、その場合には、目標角度に整定するまでの時間が長くなるなどの不都合が生じるおそれがある。そのため、比例ゲインＧの値は、使用目的に応じて、許容される振動と整定時間との兼ね合いにより、最適な値に調整すればよい。例えばガルバノミラー１を測量装置などに用いる場合には、振動が許容範囲に収まった時点で測量が可能となるため、整定時間が測量にかかる時間に直接影響する。この場合、測量時間を短くするためには、整定時間が短くなるように比例ゲインＧを設定すればよい。
【００２９】
以上説明した第１実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
電圧補正部２７は、指令電圧Ｖ０の代わりに揺動ミラー６の角速度ωに応じて補正された指令電圧Ｖ２をインバータ部２２に出力する。これにより、揺動ミラー６の角速度ωが大きい場合には補正された指令電圧Ｖ２が小さくなり、揺動ミラー６の角速度ωが低下する。つまり、揺動ミラー６は、目標角度に到達する前に十分に減速され、目標角度を大きく超えることがなくなる。従って、揺動ミラー６の振動を抑えることができる。
【００３０】
また、角速度ωが小さい場合には、補正電圧Ｖ１の値が小さくなる。そのため、補正後の指令電圧Ｖ２は、元の指令電圧Ｖ０に近い値となる。これにより、角速度ωが過度に低下することが防止され、目標角度に到達するまでに要する時間が必要以上に長くなることがない。
【００３１】
制振制御をマイクロコンピュータで行っているので、温度により特性が変化するシリコンゲルなどの減衰部材を設ける必要がない。従って、使用状況（温度、湿度など）によらず安定した制振特性を得ることができるとともに、コストを抑制することができる。
【００３２】
角速度検出部２３と補正電圧生成部２６との間に、角速度ωの移動平均を求めるフィルタ部２５を設けたので、ノイズの混入などに伴う角速度検出時の誤差が制振制御に与える影響を抑えることができる。
補正電圧生成部２６のゲインを調整可能にしたので、使用目的に応じて最適なゲインを設定することができ、制振制御を効率良く実施することができる。
【００３３】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態によるガルバノミラーの位置制御装置を、図５及び図６を参照して説明する。第２実施形態は、指令電圧を補正電圧により変化させるのではなく、揺動ミラーの角度及び角速度に応じてインバータ部（電圧出力手段）に出力する電圧を切り替えることにより振動を抑制する。尚、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。また、揺動ミラー６と上部メインミラー３とが水平になる角度を０°とし、０°から正転する方向を正の角度範囲とし、０°から逆転する方向を負の角度範囲として角度に符号「−」を付す。
【００３４】
図５は、制御装置３０を示すブロック構成図である。制御装置３０は、指令電圧発生部２１、インバータ部２２、角度検出部２４、角速度検出部２３及び電圧指令切替部３１を備えている。電圧指令切替部３１は、指令電圧発生部２１とともにマイクロコンピュータにより構成されており、静止状態（前回設定された角度で安定している状態）における揺動ミラー６の角度を初期角度θ１として記憶している。また、電圧指令切替部３１には、角速度検出部２３から揺動ミラーの角速度ωが、角度検出部２４から揺動ミラーの角度θが入力される。
【００３５】
初期角度θ１で静止している状態から新たな目標角度θ２が設定されて揺動ミラー６が回転を開始すると、電圧指令切替部３１は、角度検出部２４で検出される現在の角度θが、初期角度θ１から目標角度θ２までの間において所定の角度範囲内（例えば、目標角度θ２に対して±｜θ２―θ１｜／２の角度範囲内）に達したか否かを判定している。
【００３６】
電圧指令切替部３１は、現在の角度θが上記所定の角度範囲内に達すると、目標角度θ２に向かって回転する揺動ミラー６を減速させるための制動電圧を出力する。
この制動電圧の設定方法について詳細に説明する。電圧指令切替部３１は、まず揺動ミラー６の回転方向を検出する。目標角度θ２に対応して指令電圧発生部２１から出力された指令電圧が、初期角度θ１に対応する指令電圧よりも大きい場合には、目標角度θ２＞初期角度θ１であると判断して、正転であると判定する。また、指令電圧が初期角度θ１に対応する指令電圧よりも小さい場合には、目標角度θ２＜初期角度θ１であると判断して、逆転であると判定する。尚、電圧指令切替部３１は、角度検出部２４で検出した揺動ミラー６の角度θの変化から、或いは角度指令値そのものから揺動ミラー６の回転方向を検出してもよい。
【００３７】
電圧指令切替部３１は、揺動ミラー６の回転方向を検出すると、新たな目標角度θ２に向かって回転している揺動ミラー６を減速させるための電圧、即ち回転方向の発生トルクを低減させる電圧または回転方向とは逆のトルクを発生させる電圧を制動電圧として設定する。例えば、静止状態の角度（初期角度θ１）が０°（０°に対応する指令電圧は０Ｖと仮定する。）、新たな目標角度θ２が１°（１°に対応する指令電圧は１Ｖと仮定する。）の場合、目標角度θ２よりも初期角度θ１側の角度に対応する電圧（一例として０Ｖ）を制動電圧として設定すればよい。
【００３８】
指令電圧（１Ｖ）に替えて制動電圧（０Ｖ）がインバータ部２２に出力されると、インバータ制御回路２２ｂ（図３参照）は、ＰＷＭ制御信号のデューティ比を０％にする（スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４全てのスイッチング動作を停止する）。その場合、揺動ミラー６は、それまでの回転運動の慣性により目標角度θ２に向かって回転を続けるものの、制動電圧により発生するトルク及びトーションバー１１の反力により、制動電圧の印加前よりも大きい割合で角速度が低下する。このように、電圧指令切替部３１は、揺動ミラー６の角度θに応じて、指令電圧に替えて制動電圧をインバータ部２２に出力し、ＰＷＭ制御信号の出力を停止（オフ）する（制動電圧として０Ｖを設定した場合）。
【００３９】
電圧指令切替部３１は、制動電圧を出力すると、角速度検出部２３で検出される角速度ωが所定の閾値以下になったか否かを判定する。本実施形態では、閾値として０．０００６５ｒａｄ／ｓを設定してある。電圧指令切替部３１は、揺動ミラー６の角速度が所定の閾値以下になったと判定すると、制動電圧に替えて再び指令電圧Ｖ０を出力する。尚、閾値は、初期角度θ１や目標角度θ２、或いは移動量｜θ２―θ１｜の大きさになどに基づいて、角速度ωと制動電圧による減速割合との兼ね合いにより適宜設定すればよい。
【００４０】
インバータ部２２に再び指令電圧Ｖ０が出力されると、揺動ミラー６は、角速度が十分に小さい状態で目標角度θ２に向かって回転する。この場合、揺動ミラー６は、慣性により目標角度θ２近くまで回転していることから、揺動ミラー６の角速度の変化はごく僅かに抑えられる。即ち、揺動ミラー６は、角速度が０ｒａｄ／ｓに近い状態で目標角度θ２に到達し、揺動ミラー６が目標角度θ２を大きく行き過ぎたりする振動が抑制される。
【００４１】
このように、揺動ミラー６の角度及び角速度に応じて指令電圧Ｖ０と制動電圧とを切り替えて出力することにより、揺動ミラー６のオーバーシュートやアンダーシュートが抑制され、制振制御が可能となる。
【００４２】
また、上記した０°から１°のような正の角度領域への回転だけでなく、０°から負の角度領域への回転の場合も同様な制御を行うことが可能である。さらに、揺動ミラー６が正の角度範囲において逆転する場合、例えばθ１からθ２（θ１＞θ２）へ回転する場合などには、電圧指令切替部３１は、制動電圧として、少なくともθ２に対応する指令電圧よりも高い電圧（一例として初期角度θ１に対応する指令電圧である５Ｖ）を設定すればよい。これにより、逆転する揺動ミラー６にその回転を妨げる向きの力が発生し、目標角度θ２に達する前に角速度を低下させることができる。勿論、負の角度領域において正転する場合（例えば、−５°から−３°への回転する場合）であっても、同様に揺動ミラー６の角速度を低下させることができる。
【００４３】
図６は、揺動ミラー６の角度の変化を示す図である。破線のグラフＧ３は、制振制御を行わない場合の角度の変化を示し、実線のグラフＧ４は制振制御を行った場合の角度の変化を示している。制御装置３０により上記した制振制御を行った場合には、グラフＧ４に示すように、揺動ミラー６の角度は、オーバーシュート及びアンダーシュートが小さくなるとともに、許容範囲内に迅速に収束している。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態では、揺動ミラー６の角度θが目標角度θ２までの範囲のうち所定の角度範囲に達したときに指令電圧Ｖ０に替えて制動電圧を出力し、揺動ミラー６の角速度が閾値以下になったときに制動電圧に替えて再び指令電圧Ｖ０を出力する。これにより、揺動ミラー６は目標角度θ２に到達する前に十分に減速され、目標角度θ２を大きく行き過ぎたりすることがない。従って、揺動ミラー６の振動を抑制することができる。
【００４５】
電圧指令切替部３１を指令電圧Ｖ０と制動電圧とを切り替える簡単な構成とすることにより、コストの増加を招くことなく、振動抑制効果を得ることができる。また、電圧指令切替部３１を指令電圧発生部２１とともにマイクロコンピュータで構成したので、追加の回路部品も必要としない。
制振制御をマイクロコンピュータで行っているので、温度により特性が変化するシリコンゲルなどの減衰部材を設ける必要がない。従って、第１実施形態と同様に、使用状況（温度、湿度など）によらず安定した制振特性を得ることができる。また、
【００４６】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態によるガルバノミラーの位置制御装置を、図７から図９を参照して説明する。第３実施形態は、揺動ミラーの角度をコイルに流れる電流から算出している点が第１実施形態と異なっている。尚、第１実施形態と実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４７】
図７は、制御装置４０のブロック構成図である。制御装置４０は、電圧指令発生部２１、インバータ部２２、フィルタ部２５、補正電圧生成部２６、電圧補正部２７、電流検出部４１、角速度検出部４２を備えている。電流検出部４１は、抵抗値Ｒのシャント抵抗４１ａとマイクロコンピュータに設けられた演算器４１ｂとを備えている。電流検出部４１は、コイル９に電流Ｉが流れたときにシャント抵抗４１ａに生じる電位差Ｅから、電流Ｉ＝Ｅ／Ｒを検出し、角速度検出部４２に出力する。
【００４８】
図８は、角速度検出部４２の詳細な構成を示すブロック構成図である。角速度検出部４２は、トルク算出器４３、反力算出器４４、粘性力算出器４５を備えている。トルク算出器４３は、電流Ｉに揺動ミラー６のトルク定数Ｋｔを乗算することにより発生トルクＴを算出する。反力算出器４４は、前回算出した角度θ０にトーションバー１１のばね定数Ｋｒを乗算することにより反力Ｆｒを算出する。粘性力算出器４５は、前回演算した角速度ω０に揺動ミラー６を含む可動部の粘性係数Ｋｖを乗算することにより粘性力Ｆｖを算出する。ここで、「前回算出した角度」と「前回算出した角速度」は、直前の演算周期において算出された角度と角速度を意味している。
【００４９】
各算出器４３〜４５で算出された発生トルクＴ、反力Ｆｒ、粘性力Ｆｖの関係は、揺動ミラー６の慣性モーメントをＪ、角加速度をαをとした場合、以下の運動方程式で表される。
Ｊ・α＝Ｔ−Ｆｒ−Ｆｖ
角速度検出部４２は、加減算器４６及び除算器４７を備えており、上記の運動方程式から揺動ミラー６の角加速度αをα＝（Ｔ−Ｆｒ−Ｆｖ）／Ｊとして算出する。この角加速度αを積分器４８で積分することにより、揺動ミラー６の角速度ωが算出される。角速度検出部４２は、算出した角速度ωをフィルタ部２５に出力するとともに、角速度ωを積分器４９で積分することにより角度θを算出する。
【００５０】
制御装置４０は、角速度ωが検出されると、フィルタ部２５で移動平均を求め、比例ゲインＧを乗算して補正電圧Ｖ１を算出し、電圧補正部２７で指令電圧Ｖ０から補正電圧Ｖ１を減算して、インバータ部２２に補正された指令電圧Ｖ２を出力する制振制御を行う。
【００５１】
図９は、電流Ｉから算出された角速度ωに基づいた制振制御を行った場合の角度の変化を示す図である。破線のグラフＧ５は、制振制御を行わない場合の角度の変化を示し、実線のグラフＧ６は制振制御を行った場合の角度の変化を示している。制御装置４０により上記した制振制御を行った場合には、グラフＧ６に示すように、揺動ミラー６の角度は、オーバーシュート及びアンダーシュートが抑制されるとともに、許容範囲内に収束するまでにかかる時間（整定時間）も短縮されている。
【００５２】
このように、コイル９に流れる電流Ｉによって算出された角速度ωに基づいた場合でも、第1実施形態と同様に揺動ミラー６の振動を低減することができる。
特に、本実施形態では、揺動ミラー６の角速度ωの検出を、外部の角度検出部ではなく、指令電圧発生部２１等を構成するマイクロコンピュータで行っているので、検出時の演算或いは信号伝達経路による遅延などが抑制される。そのため、揺動ミラー６の実際の角度と検出された角度（演算後の角度）との誤差が低減され、揺動ミラー６の正確な検出角度及び角速度に基づいて制御を行うことができる。また、角度検出部を設ける必要がないので、コストの増加を招くことがない。
【００５３】
（その他の実施形態）
本発明は、以上説明した各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば以下のように変形または拡張することができる。
【００５４】
トーションバー１１、保持部８ａ及び支持部８ｂを一体に形成してもよい。
インバータ部２２は、ＰＷＭ制御ではなく、例えばＰＡＭ制御によりコイル９に印加する電圧を制御するなど、他の制御方法で構成してもよい。また、Ｈブリッジ回路に限らず、揺動ミラー６を正転側／逆転側に回転させることができる回路構成としてもよい。
【００５５】
インバータ制御回路２２ｂを、指令電圧発生部２１などを構成するマイクロコンピュータで兼用してもよい。
角速度検出部２３、フィルタ部２５、補正電圧生成部２６、電圧補正部２７は、オペアンプなどのハードウェアで構成してもよい。
【００５６】
第１実施形態において、固定された比例ゲインＧに限らず、角速度ωの大きさに応じてその値が変化するような種々のゲインを乗算するようにしてもよい。
第１及び第３実施形態において、フィルタ部２５（ローパスフィルタ）は必須ではない。
【００５７】
第２実施形態において、制御装置３０に電流検出部を設け、コイル９に流れる電流Iから揺動ミラー６の角度θを算出する構成としてもよい。
第２実施形態において、制動電圧は０Ｖや５Ｖに限定されない。例えば、揺動ミラー６の角度と指令電圧との対応が、０°のとき０Ｖ、３°のとき３Ｖ、５°のとき５Ｖのような関係である場合、例えば０°から３°への回転であれば１Ｖを制動電圧として出力してもよい。或いは、５°から２°への回転であれば４Ｖを制動電圧として出力してもよい。即ち、制動電圧としては、揺動ミラー６の回転の方向に応じて、揺動ミラー６の現在の角度θよりも回転方向に対して逆方向に位置する角度に対応した指令電圧値などの他の電圧を適宜設定してもよい。
【００５８】
第２実施形態において、所定の角度範囲の境界値として設定する角度は、目標角度θ２までの１／２の角度に限らず、回転量Δθ（θ２−θ１）のうち所定割合移動した角度、或いは目標角度θ２までの残りが所定の角度などに設定してもよい。また、境界値を固定ではなく可変とする構成としてもよい。例えば、角度０°から１°に回転する場合と、角度４°から角度５°に回転する場合とでは、回転量Δθは同じ１°であるものの、トーションバー１１による反力が異なる。そのため、初期角度θ１の値に応じて、或いは回転量Δθの大きさに応じて、境界値として設定する角度を変化させるようにしてもよい。
【００５９】
第３実施形態において、電流検出部４１を電流センサなどで電流値を直接検出する構成としてもよい。尚、反力Ｆｒを算出する場合には、板バネ８のばね定数も考慮することが望ましい。
【００６０】
シャント抵抗４１ａをコイル９に直列に接続したが、シャント抵抗４１ａをＨブリッジ回路の下アームのスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４のソース端子側に直列に接続するなどの構成としてもよい。
【符号の説明】
【００６１】
図面中、１はガルバノミラー、５は磁石、６は揺動ミラー、７は反射鏡、８は板バネ（弾性支持部材）、９はコイル、１１はトーションバー（弾性支持部材）、２０、３０、４０は制御装置（位置制御装置）、２１は指令電圧発生部（指令電圧生成手段）、２２はインバータ部（電圧出力手段）、２３、４２は角速度検出部（角速度検出手段）、２４は角度検出部（角度検出手段）、２５はフィルタ部（ローパスフィルタ）、２６は補正電圧生成部（補正電圧生成手段）、２７は電圧補正部（電圧補正手段）、３１は電圧指令切替部（電圧指令切替手段）、４１は電流検出部（電流検出手段）を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射鏡とコイルを有し弾性支持部材によって支持された揺動ミラーと、前記コイルに磁界が及ぶように固定配置された磁石とを備えたガルバノミラーの位置制御装置において、
前記揺動ミラーの目標角度と前記コイルに印加する指令電圧との関係を予め規定しており、入力された目標角度に対応した指令電圧を出力する指令電圧生成手段と、
前記揺動ミラーの角速度を検出する角速度検出手段と、
前記検出された角速度にゲインを乗じることにより前記角速度に応じた補正電圧を生成する補正電圧生成手段と、
前記指令電圧生成手段から出力された指令電圧から前記補正電圧を減じることにより補正された指令電圧を得る電圧補正手段と、
前記補正された指令電圧に従って前記コイルに電圧を印加する電圧出力手段と、
を備えていることを特徴とするガルバノミラーの位置制御装置。
【請求項２】
前記角速度検出手段と前記補正電圧生成手段との間に前記検出された角速度に対するローパスフィルタを備えていることを特徴とする請求項１記載のガルバノミラーの位置制御装置。
【請求項３】
前記揺動ミラーの角度を検出する角度検出手段を備え、
前記角速度検出手段は、前記検出された角度を微分することにより前記揺動ミラーの角速度を検出することを特徴とする請求項１又は２記載のガルバノミラーの位置制御装置。
【請求項４】
反射鏡とコイルを有し弾性支持部材によって支持された揺動ミラーと、前記コイルに磁界が及ぶように固定配置された磁石とを備えたガルバノミラーの位置制御装置において、
前記揺動ミラーの目標角度と前記コイルに印加する指令電圧との関係を予め規定しており、入力された目標角度に対応した指令電圧を出力する指令電圧生成手段と、
前記指令電圧に基づいてスイッチング動作をすることにより、前記コイルに対し前記指令電圧に応じた電圧を出力する電圧出力手段と、
前記揺動ミラーの角速度を検出する角速度検出手段と、
前記揺動ミラーの角度を検出する角度検出手段と、
前記揺動ミラーに対し新たな目標角度が設定された場合に、前記指令電圧に基づいて前記新たな目標角度に向かって回転する前記揺動ミラーを減速させるための制動電圧を設定し、前記検出された角度が前記新たな目標角度に対して所定の範囲内に達したときに前記指令電圧に替えて前記制動電圧を前記電圧出力手段に出力し、前記検出された角速度が所定の閾値以下になったときに前記制動電圧に替えて前記指令電圧を前記電圧出力手段に出力する電圧指令切替手段と、
を備えていることを特徴とするガルバノミラーの位置制御装置。
【請求項５】
前記コイルに流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
前記角速度検出手段は、前記電流検出手段により検出された電流に前記揺動ミラーのトルク定数を乗算することにより現在の発生トルクを算出し、前回算出した角度に前記弾性支持部材のばね定数を乗算することにより反力を算出し、前回算出した角速度に前記揺動ミラーを含む可動部の粘性係数を乗算することにより粘性力を算出し、前記現在の発生トルクから前記反力及び前記粘性力を減算した値を前記揺動ミラーの慣性モーメントで除することにより現在の角加速度を算出し、前記現在の角加速度を積分することにより現在の角速度を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のガルバノミラーの位置制御装置。
【請求項１】
反射鏡とコイルを有し弾性支持部材によって支持された揺動ミラーと、前記コイルに磁界が及ぶように固定配置された磁石とを備えたガルバノミラーの位置制御装置において、
前記揺動ミラーの目標角度と前記コイルに印加する指令電圧との関係を予め規定しており、入力された目標角度に対応した指令電圧を出力する指令電圧生成手段と、
前記揺動ミラーの角速度を検出する角速度検出手段と、
前記検出された角速度にゲインを乗じることにより前記角速度に応じた補正電圧を生成する補正電圧生成手段と、
前記指令電圧生成手段から出力された指令電圧から前記補正電圧を減じることにより補正された指令電圧を得る電圧補正手段と、
前記補正された指令電圧に従って前記コイルに電圧を印加する電圧出力手段と、
を備えていることを特徴とするガルバノミラーの位置制御装置。
【請求項２】
前記角速度検出手段と前記補正電圧生成手段との間に前記検出された角速度に対するローパスフィルタを備えていることを特徴とする請求項１記載のガルバノミラーの位置制御装置。
【請求項３】
前記揺動ミラーの角度を検出する角度検出手段を備え、
前記角速度検出手段は、前記検出された角度を微分することにより前記揺動ミラーの角速度を検出することを特徴とする請求項１又は２記載のガルバノミラーの位置制御装置。
【請求項４】
反射鏡とコイルを有し弾性支持部材によって支持された揺動ミラーと、前記コイルに磁界が及ぶように固定配置された磁石とを備えたガルバノミラーの位置制御装置において、
前記揺動ミラーの目標角度と前記コイルに印加する指令電圧との関係を予め規定しており、入力された目標角度に対応した指令電圧を出力する指令電圧生成手段と、
前記指令電圧に基づいてスイッチング動作をすることにより、前記コイルに対し前記指令電圧に応じた電圧を出力する電圧出力手段と、
前記揺動ミラーの角速度を検出する角速度検出手段と、
前記揺動ミラーの角度を検出する角度検出手段と、
前記揺動ミラーに対し新たな目標角度が設定された場合に、前記指令電圧に基づいて前記新たな目標角度に向かって回転する前記揺動ミラーを減速させるための制動電圧を設定し、前記検出された角度が前記新たな目標角度に対して所定の範囲内に達したときに前記指令電圧に替えて前記制動電圧を前記電圧出力手段に出力し、前記検出された角速度が所定の閾値以下になったときに前記制動電圧に替えて前記指令電圧を前記電圧出力手段に出力する電圧指令切替手段と、
を備えていることを特徴とするガルバノミラーの位置制御装置。
【請求項５】
前記コイルに流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
前記角速度検出手段は、前記電流検出手段により検出された電流に前記揺動ミラーのトルク定数を乗算することにより現在の発生トルクを算出し、前回算出した角度に前記弾性支持部材のばね定数を乗算することにより反力を算出し、前回算出した角速度に前記揺動ミラーを含む可動部の粘性係数を乗算することにより粘性力を算出し、前記現在の発生トルクから前記反力及び前記粘性力を減算した値を前記揺動ミラーの慣性モーメントで除することにより現在の角加速度を算出し、前記現在の角加速度を積分することにより現在の角速度を算出することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載のガルバノミラーの位置制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２２４３６９（Ｐ２０１０−２２４３６９Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−７３６５５（Ｐ２００９−７３６５５）
【出願日】平成２１年３月２５日（２００９．３．２５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２５日（２００９．３．２５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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