光走査装置
【課題】画像解像度や測距精度を低下させることなく、かつ、駆動信号の大きさを高めることなく走査画角を大きくする。
【解決手段】第１光反射面２ａを有した第１可動板２ｃを備え、楕円を含む基準平面に第１光反射面２ａの反射点を投影した点が楕円の一方の焦点Ｆ１と一致するように配置され、第１可動板２ｃの揺動により第１光反射面２ａへの入射光を反射走査する第１走査手段２と、楕円の長軸側の円弧状に湾曲形成した反射面４ａを有し第１走査手段２からの入射光を反射する楕円ミラー４と、第２光反射面３ａを有した第２可動板３ｃを備え、基準平面に第２光反射面３ａの反射点を投影した点が一方の焦点Ｆ１と楕円ミラー４間の他方の焦点Ｆ２と一致し、かつ、基準平面に対して第１走査手段２と反対側に位置するように配置された第２走査手段３と、各走査手段に駆動信号を供給する駆動手段５とを備える。
【解決手段】第１光反射面２ａを有した第１可動板２ｃを備え、楕円を含む基準平面に第１光反射面２ａの反射点を投影した点が楕円の一方の焦点Ｆ１と一致するように配置され、第１可動板２ｃの揺動により第１光反射面２ａへの入射光を反射走査する第１走査手段２と、楕円の長軸側の円弧状に湾曲形成した反射面４ａを有し第１走査手段２からの入射光を反射する楕円ミラー４と、第２光反射面３ａを有した第２可動板３ｃを備え、基準平面に第２光反射面３ａの反射点を投影した点が一方の焦点Ｆ１と楕円ミラー４間の他方の焦点Ｆ２と一致し、かつ、基準平面に対して第１走査手段２と反対側に位置するように配置された第２走査手段３と、各走査手段に駆動信号を供給する駆動手段５とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射される光を対象領域内で二次元走査する光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レーザ光を対象領域内で二次元走査する光走査装置が知られている。この種の光走査装置としては、例えば、二次元ガルバノミラー等で構成される走査手段と、この走査手段を揺動駆動する駆動手段とを備えて構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。この駆動手段は、走査手段に備える可動板の直交する二つの揺動軸（ｘ軸、ｙ軸）回りの共振周波数近傍の周波数を有する二つの駆動信号を所定の位相差を与えつつ走査手段に供給し、これにより、可動板をｘ軸回り及びｙ軸回りに、それぞれの駆動信号の大きさ（例えば、電流値の大きさ）に応じた機械角で揺動駆動している。
【０００３】
ここで、この種の光走査装置は、例えば、レーザ光を対象領域内で二次元走査して測定対象領域内に存在する物体までの距離を計測する光測距装置や、レーザ走査型のプロジェクタ等における光走査手段として用いられており、それらの走査画角は可動板の各揺動軸回りの最大機械角（片側）の４倍である。すなわち、ｘ軸回りの光走査方向の走査画角は、ｘ軸回りの最大機械角の４倍であり、ｙ軸回りの光走査方向の走査画角は、ｙ軸回りの最大機械角の４倍である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１７５００５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載された光走査装置において、広範囲な光走査が可能なように、光測距装置の対象領域やプロジェクタの投影面の走査画角、特に水平方向の走査画角を大きくすることが求められている。この要求を満たすように、従来の光走査装置は、例えば、可動板のｘ軸回りの光走査方向が、光測距装置においては対象領域の水平方向と一致し、プロジェクタにおいては投影面の水平方向と一致するように走査手段を配置し、駆動手段から走査手段に入力するｘ軸回り用の駆動信号の大きさ（例えば、駆動電流値の大きさ）を高めることにより可動板のｘ軸回りの機械角を大きくすることにより、走査画角を大きくさせている。
【０００６】
しかしながら、従来の光走査装置において、駆動信号の大きさを高めることで機械角を大きくして走査画角を大きくすると、二次元ガルバノミラーの揺動軸の機械的な強度を越えてその揺動軸回りの機械角を大きくすることができないため、走査画角を大きくするにも限度があるという課題がある。
【０００７】
本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、駆動信号の大きさを高めることなく走査画角を大きくすることが可能な光走査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面よる光走査装置は、第１光反射面を有し第１揺動軸回りに揺動可能に形成された第１可動板を備え、前記第１可動板が揺動することによって、光源から前記第１光反射面に入射される光を反射走査する第１走査手段と、前記第１走査手段の光走査方向については楕円の長軸側の円弧形状に湾曲し、前記第１走査手段の光走査方向と直交する方向については前記円弧形状を延設した形状の反射面を有し、前記第１走査手段から入射される光を反射する楕円ミラーと、第２光反射面を有し第２揺動軸回りに揺動可能に形成された第２可動板を備え、前記第２可動板が揺動することによって、前記楕円ミラーからの光を前記第１走査手段の光走査方向と直交する方向に反射走査する第２走査手段と、前記第１及び第２可動板を各揺動軸回りに揺動させる駆動信号を前記第１及び第２走査手段にそれぞれ供給する駆動手段と、を備え、前記楕円を含む基準平面の垂直方向から見て前記第１光反射面上の反射点を前記基準平面に投影した点が前記楕円の一方の焦点と一致するように前記第１走査手段を配置し、前記基準平面の垂直方向から見て前記第２光反射面上の反射点を前記基準平面に投影した点が前記一方の焦点と前記楕円ミラー間に位置する他方の焦点と一致し、かつ、前記基準平面に対して前記第１走査手段と反対側に位置するように前記第２走査手段を配置して構成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による光走査装置によれば、楕円ミラーの反射面の湾曲形状を形成する楕円を含む基準平面に第１光反射面の反射点を投影した点が楕円の一方の焦点と一致するように第１走査手段を配置すると共に、基準平面に第２光反射面の反射点を投影した点が一方の焦点と楕円ミラー間に位置する他方の焦点と一致し、かつ、基準平面に対して第１走査手段と反対側に位置するように第２走査手段を配置する構成であるため、楕円ミラーの一方の焦点から楕円ミラーの反射面に向かって入射される光を楕円ミラーの他方の焦点に収光するという楕円ミラーの特性を利用することで、第２光反射面で反射される光の走査画角を、第１走査手段の機械角によって定まる走査画角よりも大きくすることができる。このように、駆動信号の大きさは従来と同じでよいため、駆動信号の大きさを高めることなく走査画角を大きくすることができる。また、従来と同じ走査画角でよい場合は、駆動信号の大きさを従来よりも小さくすることができるため、省電力化することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る光走査装置の第１実施形態の概略構成を示す斜視図である。
【図２】上記実施形態の光走査装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】上記実施形態の楕円ミラーの斜視図である。
【図４】上記実施形態の走査装置の走査画角の拡大状況を説明する図で、図１に示すＢ方向から見たときの、光の収光状況を示した図である。
【図５】図１に示す光走査装置１の部分拡大図であり、第１可動部の揺動中に収光点がずれる状況を示した図である。
【図６】上記実施形態の第１可動部、第２可動部としての一次元ガルバノミラーの構成を示す図である。
【図７】本発明に係る光走査装置の第２実施形態の概略構成を示す斜視図である。
【図８】上記第２実施形態の光走査装置のＣ―Ｃ’矢視断面図である。
【図９】上記実施形態の光走査装置の変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態による光走査装置の概略構成を示す斜視図であり、図２は、本実施形態の光走査装置の概略構成を示すブロック図である。この光走査装置１は、入射されたレーザ光を反射走査して二次元走査するものである。以下の説明では、光走査装置１を、レーザ光を対象領域内で二次元走査して対象領域内に存在する物体までの距離を計測する光測距装置の光走査手段として用いる場合で説明する。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態による光走査装置１は、入射されるレーザ光を反射走査する電磁駆動型の第１走査手段２と、入射されるレーザ光を第１走査手段２の光走査方向と直交する方向に反射走査する電磁駆動型の第２走査手段３と、楕円ミラー４と、第１走査手段２及び第２走査手段３を駆動する駆動手段５（図２参照、図１では図示省略）と、を備える。図２に示す光走査ユニット６は、上記第１走査手段２、第２走査手段３及び楕円ミラー４を備えて構成されたものであり、レーザ光を走査する主要部である。なお、図１においては、図の簡略化のため、後述する図６に示した固定部３１は省略している。
【００１３】
上記第１走査手段２は、図１に示すように、平板状の第１光反射面２ａを有し第１揺動軸２ｂ回りに揺動可能に形成された第１可動板２ｃを備え、第１可動板２ｃが揺動することによって、光源から第１光反射面２ａに入射される光を走査角θ１で反射走査して楕円ミラー３に入射するように構成されている。このような第１走査手段２としては、例えば、本出願人により提案された特許第２７２２３１４号公報に記載の一次元走査型の半導体ガルバノミラー（以下単に、「一次元ガルバノミラー」と言う）を用いることができる。そして、第１走査手段２は、図１及び後述する図４に示すように、楕円を含む基準平面の垂直方向から見て第１光反射面２ａ上の反射点である中心点２ｄを基準平面に投影した点が楕円の一方の焦点Ｆ１と一致するように配置されている。なお、本実施形態においては、第１走査手段２は、第１揺動軸２ｂ回りの光走査方向（Ｘ方向）が光測距装置の対象領域の水平方向と一致するように配置されている。
【００１４】
上記第２走査手段３は、図１に示すように、平板状の第２光反射面３ａを有し第１揺動軸２ｂと直交する第２揺動軸３ｂ回りに揺動可能に形成された第２可動板３ｃを備え、第２可動板３ｃが揺動することによって、楕円ミラー４からの光を第１走査手段２の光走査方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）に反射走査するように構成されている。このような第２走査手段３としては、例えば、第１走査手段２と同様に前述した一次元ガルバノミラーを用いることができる。この第２走査手段３は、図１及び図４に示すように、基準平面の垂直方向から見て第２光反射面３ａ上の反射点である中心点３ｄを基準平面に投影した点が一方の焦点Ｆ１と楕円ミラー４間に位置する他方の焦点Ｆ２と一致し、かつ、図１に示すように、基準平面に対して第１走査手段２と反対側に位置するように配置されている。
【００１５】
上記楕円ミラー４は、第１走査手段２から入射される光を反射するものであり、第１走査手段２の光走査方向については楕円の長軸Ａ１側の円弧形状に湾曲し、第１走査手段２の光走査方向と直交する方向については円弧形状を延設した形状の反射面４ａを有している。すなわち、反射面４ａは、図１に示すように、楕円を含む基準平面に対して垂直方向に、楕円の長軸Ａ１側の円弧の一部Ａ（図１に太線で示した破線部、以下において、単に「円弧Ａ」と言う）をシフトさせたときに得られる形状でその表面が形成される。この楕円ミラー４は、２つの焦点を有しており、一方の焦点Ｆ１から反射面２ａに向けて出射される光を楕円ミラー４側の焦点である他方の焦点Ｆ２に収光させるという特性を有している。なお、図１において、楕円ミラー４は、図の簡略化のため、反射面４ａのみ示したが、実際には、図３に示すように厚みを有している。
【００１６】
ここで、楕円ミラー４の前述した収光特性を利用するためには、反射面４ａに向けて光を出射する点と、反射面４ａによって反射された光が収光する点とを、楕円を含む基準平面と同一平面上に位置させることが一般的な前提条件であるが、同一平面上に出射点及び収光点が位置していなくても、以下の位置関係を満足すれば、楕円ミラー４の収光特性を利用することができる。すなわち、基準平面の垂直方向から見て出射点を基準平面に投影した点が楕円の一方の焦点Ｆ１と一致し、基準平面の垂直方向から見て収光点を基準平面に投影した点が一方の焦点Ｆ１と楕円ミラー４間に位置する他方の焦点Ｆ２と一致し、かつ、基準平面が出射点と収光点間に位置するという位置関係を満足すれば、この場合においても楕円ミラー４の収光特性を利用することができる。
【００１７】
本実施形態において、図１及び図４に示すように、反射面２ａに向けて光を出射する点としての第１光反射面２ａの中心点２ｄを基準平面に投影した点が一方の焦点Ｆ１と一致し、反射面２ａによって反射された光が収光する点としての第２光反射面３ａの中心点３ｄを基準平面に投影した点が一方の焦点Ｆ１と楕円ミラー４間に位置する他方の焦点Ｆ２と一致し、かつ、第１光反射面２ａの中心点２ｄと第２光反射面３ａの中心点３ｄの間に基準平面が位置するように、第１走査手段２と第２走査手段を配置している。これにより、第１走査手段２の中心点２ｄで反射された光は、楕円ミラー４を介して第２走査手段３の中心点３ｄに収光される。
【００１８】
図４は、本実施形態における光走査装置１の走査画角θ２の拡大状況を説明する図で、第１走査手段２の第１揺動軸２ｂ回りの機械角φが最大（φｍａｘ）のときに、基準平面に対して垂直方向を示す図１のＢ方向から見たときの、光の収光状況を示した図である。この図から分かるように、第１光反射面２ａの中心点２ｄに入射された光は、第１可動板２ｃが揺動することにより、反射走査され楕円ミラー４に入射される。そして、この楕円ミラー４に入射された光は、第２光反射面３ａの中心点３ｄに収光される。このとき、第１走査手段２から楕円ミラー４に向かう光の光路が楕円ミラー４の長軸Ａ１に対して成す角度θは最大機械角φｍａｘの２倍と等しく、この最大機械角φｍａｘの４倍が第１走査手段２の走査角θ１（図１参照）となる。そして、楕円ミラー４から第２走査手段３までの光の光路が楕円ミラー４の長軸Ａ１に対して成す角度θ’の２倍が対象領域における水平方向の走査画角θ２（図１参照）となる。すなわち、θ１、θ及びφｍａｘ、並びにθ２とθ’は、それぞれ下記の（１）式、（２）式を満たす関係にある。
θ１＝２θ＝４φｍａｘ ・・・（１）
θ２＝２θ’ ・・・（２）
ここで、図４から分かるように、角度θ’は、角度θよりも大きくなる。これにより、第２光反射面４ａで反射され、対象領域内に出射される光の水平方向の走査画角θ２（＝２θ’）を、第１揺動軸２ｂ回りの最大機械角φｍａｘによって定まる走査画角、すなわち、走査角θ１（＝２θ）よりも大きくすることができる。
【００１９】
ここで、中心点２ｄ，３ｄ並びに焦点Ｆ１，Ｆ２が前述した位置関係を満足する場合、走査角θ１と走査画角θ２との間には、下記の（３）式を満たす関係が成りたつ。
Ｌ１×ｔａｎ（θ１／２）＝Ｌ２×ｔａｎ（θ２／２）・・・（３）
但し、Ｌ１は、図４に示すように、第１走査手段２の機械角φが最大（φｍａｘ）のときに第１走査手段２から楕円ミラー４に向かう光の光路長の長軸Ａ１方向の成分の長さであり、Ｌ２は、第１走査手段２の機械角φが最大（φｍａｘ）のときに楕円ミラー４から第２走査手段３に向かう光の光路長の長軸Ａ１方向の成分の長さである。例えば、第１走査手段２の走査角θ１が３０°の場合であって、このときの、Ｌ１とＬ２の比がＬ１：Ｌ２＝２：１になるように反射面２ａの湾曲形状が設計された楕円ミラー４を用いた場合は、走査画角θ２は、上記（３）式より、約５６．３°となり、第１揺動軸２ｂ回りの最大機械角φｍａｘによって定まる走査画角（すなわち、θ１＝３０°）の約１．８倍に拡大される。
【００２０】
なお、走査画角の拡大率Ｋ（＝θ２／θ１）は、約１．８倍の場合で説明したが、拡大率Ｋは、これに限らず、楕円ミラー４の形状が、下記の（４）式で示される楕円の公式を満たし、かつ、θ１とθ２とが、２つの焦点から楕円までの距離の和は楕円の長径の２倍であるという下記の（５）式で示される楕円の定理を満たせば、どのような拡大率Ｋでも実現することができる。
ｘ２／ａ２＋ｙ２／ｂ２＝１・・・（４）
Ｗ／（２ｓｉｎθ１）＋Ｗ／（２ｓｉｎθ２）＝２ａ・・・（５）
但し、ｘは、長軸Ａ１と短軸Ａ２の交点を原点とする２次元座標における長軸Ａ１側の座標であり、ｙは、長軸Ａ１と短軸Ａ２の交点を原点とする２次元座標における短軸Ａ２側の座標であり、ａは、楕円の長径であり、ｂは、楕円の短径である。また、Ｗは、楕円ミラー４の有効幅であり、第１走査手段２の第１揺動軸２ｂ回りの機械角φが最大（φｍａｘ）のときに、第１走査手段２から楕円ミラー４への光が入射する点のｙ座標の２倍（すなわち、ｙ＝Ｗ／２）である。
【００２１】
図５は、図１に示す光走査装置１の部分拡大図であり、第１走査手段２の揺動中に、楕円ミラー４による収光点がずれる状況を誇張して示した図である。図１においては、第１走査手段２で反射走査された光が楕円ミラー４の反射面２ａに沿う走査軌跡は、楕円の長軸Ａ１側の一部の円弧Ａ（太線で示した破線部）と一致するものとして示したが、実際の走査軌跡は、図５に一点鎖線で示した実円弧Ａ’のようになり、円弧Ａと完全に一致しない。このように、実際の走査軌跡が円弧Ａとずれているため、楕円ミラー４から第２走査手段３に向かう光は、第１走査手段２の機械角φに応じた距離だけ、中心点３ｄからずれて収光される。すなわち、例えば、第１走査手段２の機械角φが最大（φｍａｘ）のとき、第１走査手段２から楕円ミラー４に入射された光（図５のａ１又はａ２）の収光点と、第２走査手段３の中心点３ｄとのずれ量は最大となり、第１走査手段２の機械角φが小さくなるに従い、そのずれ量は小さくなり、第１走査手段２の機械角φがゼロのとき、第１走査手段２から楕円ミラー４に入射された光（図４のａ３）の収光点は、第２走査手段３の中心点３ｄと一致する。このように、第１走査手段２の揺動中に第２光反射面３ａにおける収光点がずれるため、対象領域における二次元走査の走査軌跡は、このずれに応じて定まる。また、二次元走査可能な範囲も収光点のずれに応じて定まる。例えば、光走査装置１を光測距装置の光走査手段に用いる場合は、収光点のずれに応じて定まる二次元走査可能な範囲を対象領域よりも広くなるように設定すると共に、対象領域に設定する各画素にレーザ光を照射できるように、収光点のずれに応じて定まる走査軌跡に基づいて、光走査装置１に入射するレーザ光の投光タイミングを設定すればよい。
【００２２】
図６は、各走査手段２，３の具体例としての一次元ガルバノミラー３０，３０’の構成を示している。本実施形態において、第１走査手段２としての一次元ガルバノミラー３０（以下において「第１ガルバノミラー３０」と言う）と、第２走査手段３としての一次元ガルバノミラー３０’（以下において「第２ガルバノミラー３０’」と言う）はそれぞれ別体で形成されているが、それぞれの基本構成は同じである。各ガルバノミラー３０，３０’は、それぞれ枠状の固定部３１と、固定部３１の内側に配置されて第１揺動軸２ｂ又は第２揺動軸３ｂとしての一対のトーションバー３２，３２によって揺動可能に支持された可動板３３と、を備える。但し、各ガルバノミラー３０，３０’のトーションバー３２，３２等の寸法等は設計仕様に応じてそれぞれ設定されている。本実施形態において、第１ガルバノミラー３０は、第１ガルバノミラー３０の光走査方向が対象領域の水平方向と一致するように配置され、第２ガルバノミラー３０’は、第２ガルバノミラー３０’のトーションバー３２，３２が第１ガルバノミラー３０のトーションバー３２，３２と直交するように配置されている。
【００２３】
可動板３３の中央部には第１光反射面２ａ又は第２光反射面３ａとしてのミラー３４が形成され、可動板３３の周縁部には駆動コイル３５が形成されている。駆動コイル３５の端部は、固定部３１に形成された電極端子３６，３６に接続されている。
【００２４】
また、駆動コイル３５に磁界を作用させる一対の第１永久磁石３７，３７が固定部３１を挟んでそれぞれ対向配置されている。なお、固定部３１、トーションバー３２，３２及び可動板３３は、半導体基板から一体的に形成されている。
【００２５】
各ガルバノミラー３０，３０’は、駆動コイル３５に流れる電流（例えば、交流電流）と、永久磁石３７，３７による磁界と、によって可動板３３にローレンツ力が作用し、その結果、可動板３３が一次元方向に揺動する。第１ガルバノミラー３０では、可動板３３が揺動することによってミラー３４に入射されるレーザ光が第１揺動軸２ｂとしてのトーションバー３２，３２の軸回り方向に走査角θ１で反射走査されて楕円ミラー４に入射される。第２ガルバノミラー３０’では、可動板３３が揺動することによって入射されるレーザ光が第２揺動軸３ｂとしてのトーションバー３２，３２の軸回り方向に反射走査されて対象領域に出射される。これにより、第１ガルバノミラー３０のミラー３４に入射されたレーザ光が対象領域内で二次元走査される。このとき、対象領域の水平方向の走査画角θ２は、走査角θ１よりも大きくなっている。
【００２６】
図２に戻って、前記駆動手段５は、各ガルバノミラー３０，３０’をそれぞれのトーションバー３２，３２の軸回りに揺動させる駆動信号を、各ガルバノミラー３０，３０’に供給するものであり、例えば、駆動回路５ａによって構成されている。この駆動回路５ａは、各ガルバノミラー３０，３０’用の駆動信号（例えば、交流電流）を、各ガルバノミラー３０，３０’の可動板３３が有するトーションバー３２，３２回りの共振周波数にそれぞれ合わせて設定された駆動周波数で、電極端子３６，３６を介して駆動コイル３５に供給する。以下において、第１ガルバノミラー３０用の駆動信号を第１駆動信号と言い、第２ガルバノミラー３０’用の駆動信号を第２駆動信号と言う。
【００２７】
次に、以上のような構成を有する光走査装置１の動作について、図１〜図３に基づいて説明する。なお、以下の説明では、第１ガルバノミラー３０の走査角θ１は３０°であり、Ｌ１とＬ２の比はＬ１：Ｌ２＝２：１である場合を一例として説明する。
【００２８】
まず、駆動回路５ａは、第１ガルバノミラー３０用に初期設定された駆動周波数で第１駆動信号を、駆動コイル３５に供給することにより、第１ガルバノミラー３０をトーションバー３２，３２の軸回り方向（水平方向）に揺動させる。同時に、駆動回路５ａは、第２ガルバノミラー３０’用に初期設定された駆動周波数で第２駆動信号を、駆動コイル３５に供給することにより、第２ガルバノミラー３０’をトーションバー３２，３２の軸回り方向（垂直方向）に揺動させる。ここで、第１ガルバノミラー３０のミラー３４の中心点２ｄに入射された光は、この可動板３３が揺動することにより、反射走査され楕円ミラー４に入射され、この楕円ミラー４に入射された光は、第２ガルバノミラー３０’のミラー３４のほぼ中心点３ｄに収光される。そして、この収光された光は、第２ガルバノミラー３０’の可動板３３が揺動することにより、ミラー３４で反射走査され対象領域に出射される。ここで、楕円ミラー４から第２ガルバノミラー３０’までの光の光路が楕円ミラー４の長軸Ａ１に対して成す角度θ’は、第１ガルバノミラー３０から楕円ミラー４までの光の光路が楕円ミラー４の長軸Ａ１に対して成す角度θよりも大きくなる。このとき、出射光の水平方向の走査画角θ２は、前述した（３）式より、約５６．３°となり、走査画角θ２は、第１ガルバノミラー３０の最大機械角φｍａｘによって定まる走査画角（すなわち、θ１＝３０°）の約１．８倍に拡大される。
【００２９】
このように、本実施形態による光走査装置１によれば、駆動信号の大きさは従来と同じでよいため、駆動信号の大きさを高めることなく走査画角θ２を大きくすることができる。また、従来と同じ走査画角θ２でよい場合は、駆動信号の大きさを従来よりも小さくすることができるため、省電力化することもできる。なお、本実施形態においては、第１走査手段２の光走査方向が対象領域の水平方向と一致するように第１走査手段２を配置させ、対象領域の水平方向の走査画角を大きくさせた場合で説明したが、対象領域の垂直方向と一致するように第１走査手段２を配置させた場合は、垂直方向の走査画角を大きくすることができる。
【００３０】
次に、本発明の第２実施形態による光走査装置について説明する。
図７は、本発明に係る光走査装置の第２実施形態の概略構成を示す斜視図である。なお、図１の第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。また、本実施形態における光走査装置１の動作は、第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。
【００３１】
本実施形態において、第１走査手段２と第２走査手段３は、１個のチップ上に一体形成されている。各走査手段２，３の具体例としては、図６に示した第１ガルバノミラー３０及び第２ガルバノミラー３０’を用いて構成する。但し、本実施形態においては、図７に示すように、各走査手段２，３の固定部３１は共通化されている。なお、図７においては、図の簡略化のため、各走査手段２，３の駆動コイル３５、電極端子３６，３６及び永久磁石３７，３７は、図示省略している。
【００３２】
図８は、図７に示した光走査装置１のＣ―Ｃ’矢視断面図である。図８から分かるように、本実施形態においても、例えば、第１光反射面２ａの中心点２ｄを基準平面に投影した点が楕円の一方の焦点Ｆ１と一致し、第２光反射面３ａの中心点３ｄを基準平面に投影した点が一方の焦点Ｆ１と楕円ミラー４間に位置する他方の焦点Ｆ２と一致し、かつ、中心点２ｄと中心点３ｄの間に基準平面が位置するという位置関係を満足させることができるため、第１実施形態と同様に、楕円ミラー４の収光特性を利用することができる。
【００３３】
このように構成された本実施形態による光走査装置１によれば、第１実施形態と同様に、駆動信号の大きさを高めることなく走査画角θ２を大きくすることができる。さらに、本実施形態による光走査装置１によれば、１個のチップ上に各走査手段２，３を一体形成する構成であるため、組立時に、第１走査手段２に対する第２走査手段３の配置位置を調整する必要がない。したがって、第１走査手段２と第２走査手段３を別体で形成する第１実施形態と比較して、組立調整を簡素化することができる。
【００３４】
図９は、上記第２実施形態の光走査装置１の変形例を示す図である。図９に示すように、本変形例では、第１走査手段２は、第１揺動軸２ｂと直交する方向で第１可動板２ｃを均等に分割して形成した複数の第１分割可動板２ｃ’を備え、各第１分割可動板２ｃ’は、それぞれの第１揺動軸２ｂ’，２ｂ’を有して形成され、第２走査手段３は、第２揺動軸３ｂと直交する方向で第２可動板３ｃを均等に分割して形成した複数の第２分割可動板３ｃ’を備え、各第２分割可動板３ｃ’は、それぞれの第２揺動軸２ｂ’，２ｂ’を有して形成されている。
【００３５】
このように構成することにより、各分割可動板２ｃ’、３ｃ’の重さが分割前の各可動板２ｃ、３ｃよりも軽くなるため、各分割可動板２ｃ’、３ｃ’の共振周波数が高くなる。したがって、駆動手段５から各走査手段２，３に供給する駆動信号の周波数を高くすることにより、光を高速走査することができる。
【００３６】
また、本変形例において、複数の第１反射面２ａ’の面積の総和は、図７に示した分割前の第１反射面２ａの面積と同じになるように形成されており、複数の第２反射面３ａ’の面積の総和は、分割前の第２反射面３ａの面積と同じになるように形成されている。これにより、光走査装置１を光測距装置の対象領域からの反射光を受光する手段としても利用する場合、受光の光量を維持したまま光を高速走査することができる。
【００３７】
なお、上記第１及び第２実施形態においては、光走査装置１を光測距装置の光走査手段として用いた場合で説明したが、光走査装置１は、これに限らず、レーザ走査型のプロジェクタにおける光走査手段としても用いることができる。この場合でも、従来と同じ駆動信号の大きさで、走査画角を大きくすることができるため、駆動信号の大きさを高めることなく走査画角を大きくすることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１・・・・光走査装置
２・・・・第１走査手段
２ａ・・・第１光反射面
２ｂ・・・第１揺動軸
２ｃ・・・第１可動板
２ｄ・・・第１光反射面上の反射点（中心点）
２ｃ’・・第１分割可動板
３・・・・第２走査手段
３ａ・・・第２光反射面
３ｂ・・・第２揺動軸
３ｃ・・・第２可動板
３ｃ’・・第２分割可動板
３ｄ・・・第２光反射面上の反射点（中心点）
４・・・・楕円ミラー
４ａ・・・反射面
５・・・・駆動手段
Ｌ１・・・楕円の長軸
Ｆ１・・・一方の焦点
Ｆ２・・・他方の焦点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射される光を対象領域内で二次元走査する光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レーザ光を対象領域内で二次元走査する光走査装置が知られている。この種の光走査装置としては、例えば、二次元ガルバノミラー等で構成される走査手段と、この走査手段を揺動駆動する駆動手段とを備えて構成されたものがある（例えば、特許文献１参照）。この駆動手段は、走査手段に備える可動板の直交する二つの揺動軸（ｘ軸、ｙ軸）回りの共振周波数近傍の周波数を有する二つの駆動信号を所定の位相差を与えつつ走査手段に供給し、これにより、可動板をｘ軸回り及びｙ軸回りに、それぞれの駆動信号の大きさ（例えば、電流値の大きさ）に応じた機械角で揺動駆動している。
【０００３】
ここで、この種の光走査装置は、例えば、レーザ光を対象領域内で二次元走査して測定対象領域内に存在する物体までの距離を計測する光測距装置や、レーザ走査型のプロジェクタ等における光走査手段として用いられており、それらの走査画角は可動板の各揺動軸回りの最大機械角（片側）の４倍である。すなわち、ｘ軸回りの光走査方向の走査画角は、ｘ軸回りの最大機械角の４倍であり、ｙ軸回りの光走査方向の走査画角は、ｙ軸回りの最大機械角の４倍である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１７５００５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載された光走査装置において、広範囲な光走査が可能なように、光測距装置の対象領域やプロジェクタの投影面の走査画角、特に水平方向の走査画角を大きくすることが求められている。この要求を満たすように、従来の光走査装置は、例えば、可動板のｘ軸回りの光走査方向が、光測距装置においては対象領域の水平方向と一致し、プロジェクタにおいては投影面の水平方向と一致するように走査手段を配置し、駆動手段から走査手段に入力するｘ軸回り用の駆動信号の大きさ（例えば、駆動電流値の大きさ）を高めることにより可動板のｘ軸回りの機械角を大きくすることにより、走査画角を大きくさせている。
【０００６】
しかしながら、従来の光走査装置において、駆動信号の大きさを高めることで機械角を大きくして走査画角を大きくすると、二次元ガルバノミラーの揺動軸の機械的な強度を越えてその揺動軸回りの機械角を大きくすることができないため、走査画角を大きくするにも限度があるという課題がある。
【０００７】
本発明は、このような課題に着目してなされたものであり、駆動信号の大きさを高めることなく走査画角を大きくすることが可能な光走査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面よる光走査装置は、第１光反射面を有し第１揺動軸回りに揺動可能に形成された第１可動板を備え、前記第１可動板が揺動することによって、光源から前記第１光反射面に入射される光を反射走査する第１走査手段と、前記第１走査手段の光走査方向については楕円の長軸側の円弧形状に湾曲し、前記第１走査手段の光走査方向と直交する方向については前記円弧形状を延設した形状の反射面を有し、前記第１走査手段から入射される光を反射する楕円ミラーと、第２光反射面を有し第２揺動軸回りに揺動可能に形成された第２可動板を備え、前記第２可動板が揺動することによって、前記楕円ミラーからの光を前記第１走査手段の光走査方向と直交する方向に反射走査する第２走査手段と、前記第１及び第２可動板を各揺動軸回りに揺動させる駆動信号を前記第１及び第２走査手段にそれぞれ供給する駆動手段と、を備え、前記楕円を含む基準平面の垂直方向から見て前記第１光反射面上の反射点を前記基準平面に投影した点が前記楕円の一方の焦点と一致するように前記第１走査手段を配置し、前記基準平面の垂直方向から見て前記第２光反射面上の反射点を前記基準平面に投影した点が前記一方の焦点と前記楕円ミラー間に位置する他方の焦点と一致し、かつ、前記基準平面に対して前記第１走査手段と反対側に位置するように前記第２走査手段を配置して構成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による光走査装置によれば、楕円ミラーの反射面の湾曲形状を形成する楕円を含む基準平面に第１光反射面の反射点を投影した点が楕円の一方の焦点と一致するように第１走査手段を配置すると共に、基準平面に第２光反射面の反射点を投影した点が一方の焦点と楕円ミラー間に位置する他方の焦点と一致し、かつ、基準平面に対して第１走査手段と反対側に位置するように第２走査手段を配置する構成であるため、楕円ミラーの一方の焦点から楕円ミラーの反射面に向かって入射される光を楕円ミラーの他方の焦点に収光するという楕円ミラーの特性を利用することで、第２光反射面で反射される光の走査画角を、第１走査手段の機械角によって定まる走査画角よりも大きくすることができる。このように、駆動信号の大きさは従来と同じでよいため、駆動信号の大きさを高めることなく走査画角を大きくすることができる。また、従来と同じ走査画角でよい場合は、駆動信号の大きさを従来よりも小さくすることができるため、省電力化することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る光走査装置の第１実施形態の概略構成を示す斜視図である。
【図２】上記実施形態の光走査装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】上記実施形態の楕円ミラーの斜視図である。
【図４】上記実施形態の走査装置の走査画角の拡大状況を説明する図で、図１に示すＢ方向から見たときの、光の収光状況を示した図である。
【図５】図１に示す光走査装置１の部分拡大図であり、第１可動部の揺動中に収光点がずれる状況を示した図である。
【図６】上記実施形態の第１可動部、第２可動部としての一次元ガルバノミラーの構成を示す図である。
【図７】本発明に係る光走査装置の第２実施形態の概略構成を示す斜視図である。
【図８】上記第２実施形態の光走査装置のＣ―Ｃ’矢視断面図である。
【図９】上記実施形態の光走査装置の変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態による光走査装置の概略構成を示す斜視図であり、図２は、本実施形態の光走査装置の概略構成を示すブロック図である。この光走査装置１は、入射されたレーザ光を反射走査して二次元走査するものである。以下の説明では、光走査装置１を、レーザ光を対象領域内で二次元走査して対象領域内に存在する物体までの距離を計測する光測距装置の光走査手段として用いる場合で説明する。
【００１２】
図１に示すように、本実施形態による光走査装置１は、入射されるレーザ光を反射走査する電磁駆動型の第１走査手段２と、入射されるレーザ光を第１走査手段２の光走査方向と直交する方向に反射走査する電磁駆動型の第２走査手段３と、楕円ミラー４と、第１走査手段２及び第２走査手段３を駆動する駆動手段５（図２参照、図１では図示省略）と、を備える。図２に示す光走査ユニット６は、上記第１走査手段２、第２走査手段３及び楕円ミラー４を備えて構成されたものであり、レーザ光を走査する主要部である。なお、図１においては、図の簡略化のため、後述する図６に示した固定部３１は省略している。
【００１３】
上記第１走査手段２は、図１に示すように、平板状の第１光反射面２ａを有し第１揺動軸２ｂ回りに揺動可能に形成された第１可動板２ｃを備え、第１可動板２ｃが揺動することによって、光源から第１光反射面２ａに入射される光を走査角θ１で反射走査して楕円ミラー３に入射するように構成されている。このような第１走査手段２としては、例えば、本出願人により提案された特許第２７２２３１４号公報に記載の一次元走査型の半導体ガルバノミラー（以下単に、「一次元ガルバノミラー」と言う）を用いることができる。そして、第１走査手段２は、図１及び後述する図４に示すように、楕円を含む基準平面の垂直方向から見て第１光反射面２ａ上の反射点である中心点２ｄを基準平面に投影した点が楕円の一方の焦点Ｆ１と一致するように配置されている。なお、本実施形態においては、第１走査手段２は、第１揺動軸２ｂ回りの光走査方向（Ｘ方向）が光測距装置の対象領域の水平方向と一致するように配置されている。
【００１４】
上記第２走査手段３は、図１に示すように、平板状の第２光反射面３ａを有し第１揺動軸２ｂと直交する第２揺動軸３ｂ回りに揺動可能に形成された第２可動板３ｃを備え、第２可動板３ｃが揺動することによって、楕円ミラー４からの光を第１走査手段２の光走査方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）に反射走査するように構成されている。このような第２走査手段３としては、例えば、第１走査手段２と同様に前述した一次元ガルバノミラーを用いることができる。この第２走査手段３は、図１及び図４に示すように、基準平面の垂直方向から見て第２光反射面３ａ上の反射点である中心点３ｄを基準平面に投影した点が一方の焦点Ｆ１と楕円ミラー４間に位置する他方の焦点Ｆ２と一致し、かつ、図１に示すように、基準平面に対して第１走査手段２と反対側に位置するように配置されている。
【００１５】
上記楕円ミラー４は、第１走査手段２から入射される光を反射するものであり、第１走査手段２の光走査方向については楕円の長軸Ａ１側の円弧形状に湾曲し、第１走査手段２の光走査方向と直交する方向については円弧形状を延設した形状の反射面４ａを有している。すなわち、反射面４ａは、図１に示すように、楕円を含む基準平面に対して垂直方向に、楕円の長軸Ａ１側の円弧の一部Ａ（図１に太線で示した破線部、以下において、単に「円弧Ａ」と言う）をシフトさせたときに得られる形状でその表面が形成される。この楕円ミラー４は、２つの焦点を有しており、一方の焦点Ｆ１から反射面２ａに向けて出射される光を楕円ミラー４側の焦点である他方の焦点Ｆ２に収光させるという特性を有している。なお、図１において、楕円ミラー４は、図の簡略化のため、反射面４ａのみ示したが、実際には、図３に示すように厚みを有している。
【００１６】
ここで、楕円ミラー４の前述した収光特性を利用するためには、反射面４ａに向けて光を出射する点と、反射面４ａによって反射された光が収光する点とを、楕円を含む基準平面と同一平面上に位置させることが一般的な前提条件であるが、同一平面上に出射点及び収光点が位置していなくても、以下の位置関係を満足すれば、楕円ミラー４の収光特性を利用することができる。すなわち、基準平面の垂直方向から見て出射点を基準平面に投影した点が楕円の一方の焦点Ｆ１と一致し、基準平面の垂直方向から見て収光点を基準平面に投影した点が一方の焦点Ｆ１と楕円ミラー４間に位置する他方の焦点Ｆ２と一致し、かつ、基準平面が出射点と収光点間に位置するという位置関係を満足すれば、この場合においても楕円ミラー４の収光特性を利用することができる。
【００１７】
本実施形態において、図１及び図４に示すように、反射面２ａに向けて光を出射する点としての第１光反射面２ａの中心点２ｄを基準平面に投影した点が一方の焦点Ｆ１と一致し、反射面２ａによって反射された光が収光する点としての第２光反射面３ａの中心点３ｄを基準平面に投影した点が一方の焦点Ｆ１と楕円ミラー４間に位置する他方の焦点Ｆ２と一致し、かつ、第１光反射面２ａの中心点２ｄと第２光反射面３ａの中心点３ｄの間に基準平面が位置するように、第１走査手段２と第２走査手段を配置している。これにより、第１走査手段２の中心点２ｄで反射された光は、楕円ミラー４を介して第２走査手段３の中心点３ｄに収光される。
【００１８】
図４は、本実施形態における光走査装置１の走査画角θ２の拡大状況を説明する図で、第１走査手段２の第１揺動軸２ｂ回りの機械角φが最大（φｍａｘ）のときに、基準平面に対して垂直方向を示す図１のＢ方向から見たときの、光の収光状況を示した図である。この図から分かるように、第１光反射面２ａの中心点２ｄに入射された光は、第１可動板２ｃが揺動することにより、反射走査され楕円ミラー４に入射される。そして、この楕円ミラー４に入射された光は、第２光反射面３ａの中心点３ｄに収光される。このとき、第１走査手段２から楕円ミラー４に向かう光の光路が楕円ミラー４の長軸Ａ１に対して成す角度θは最大機械角φｍａｘの２倍と等しく、この最大機械角φｍａｘの４倍が第１走査手段２の走査角θ１（図１参照）となる。そして、楕円ミラー４から第２走査手段３までの光の光路が楕円ミラー４の長軸Ａ１に対して成す角度θ’の２倍が対象領域における水平方向の走査画角θ２（図１参照）となる。すなわち、θ１、θ及びφｍａｘ、並びにθ２とθ’は、それぞれ下記の（１）式、（２）式を満たす関係にある。
θ１＝２θ＝４φｍａｘ ・・・（１）
θ２＝２θ’ ・・・（２）
ここで、図４から分かるように、角度θ’は、角度θよりも大きくなる。これにより、第２光反射面４ａで反射され、対象領域内に出射される光の水平方向の走査画角θ２（＝２θ’）を、第１揺動軸２ｂ回りの最大機械角φｍａｘによって定まる走査画角、すなわち、走査角θ１（＝２θ）よりも大きくすることができる。
【００１９】
ここで、中心点２ｄ，３ｄ並びに焦点Ｆ１，Ｆ２が前述した位置関係を満足する場合、走査角θ１と走査画角θ２との間には、下記の（３）式を満たす関係が成りたつ。
Ｌ１×ｔａｎ（θ１／２）＝Ｌ２×ｔａｎ（θ２／２）・・・（３）
但し、Ｌ１は、図４に示すように、第１走査手段２の機械角φが最大（φｍａｘ）のときに第１走査手段２から楕円ミラー４に向かう光の光路長の長軸Ａ１方向の成分の長さであり、Ｌ２は、第１走査手段２の機械角φが最大（φｍａｘ）のときに楕円ミラー４から第２走査手段３に向かう光の光路長の長軸Ａ１方向の成分の長さである。例えば、第１走査手段２の走査角θ１が３０°の場合であって、このときの、Ｌ１とＬ２の比がＬ１：Ｌ２＝２：１になるように反射面２ａの湾曲形状が設計された楕円ミラー４を用いた場合は、走査画角θ２は、上記（３）式より、約５６．３°となり、第１揺動軸２ｂ回りの最大機械角φｍａｘによって定まる走査画角（すなわち、θ１＝３０°）の約１．８倍に拡大される。
【００２０】
なお、走査画角の拡大率Ｋ（＝θ２／θ１）は、約１．８倍の場合で説明したが、拡大率Ｋは、これに限らず、楕円ミラー４の形状が、下記の（４）式で示される楕円の公式を満たし、かつ、θ１とθ２とが、２つの焦点から楕円までの距離の和は楕円の長径の２倍であるという下記の（５）式で示される楕円の定理を満たせば、どのような拡大率Ｋでも実現することができる。
ｘ２／ａ２＋ｙ２／ｂ２＝１・・・（４）
Ｗ／（２ｓｉｎθ１）＋Ｗ／（２ｓｉｎθ２）＝２ａ・・・（５）
但し、ｘは、長軸Ａ１と短軸Ａ２の交点を原点とする２次元座標における長軸Ａ１側の座標であり、ｙは、長軸Ａ１と短軸Ａ２の交点を原点とする２次元座標における短軸Ａ２側の座標であり、ａは、楕円の長径であり、ｂは、楕円の短径である。また、Ｗは、楕円ミラー４の有効幅であり、第１走査手段２の第１揺動軸２ｂ回りの機械角φが最大（φｍａｘ）のときに、第１走査手段２から楕円ミラー４への光が入射する点のｙ座標の２倍（すなわち、ｙ＝Ｗ／２）である。
【００２１】
図５は、図１に示す光走査装置１の部分拡大図であり、第１走査手段２の揺動中に、楕円ミラー４による収光点がずれる状況を誇張して示した図である。図１においては、第１走査手段２で反射走査された光が楕円ミラー４の反射面２ａに沿う走査軌跡は、楕円の長軸Ａ１側の一部の円弧Ａ（太線で示した破線部）と一致するものとして示したが、実際の走査軌跡は、図５に一点鎖線で示した実円弧Ａ’のようになり、円弧Ａと完全に一致しない。このように、実際の走査軌跡が円弧Ａとずれているため、楕円ミラー４から第２走査手段３に向かう光は、第１走査手段２の機械角φに応じた距離だけ、中心点３ｄからずれて収光される。すなわち、例えば、第１走査手段２の機械角φが最大（φｍａｘ）のとき、第１走査手段２から楕円ミラー４に入射された光（図５のａ１又はａ２）の収光点と、第２走査手段３の中心点３ｄとのずれ量は最大となり、第１走査手段２の機械角φが小さくなるに従い、そのずれ量は小さくなり、第１走査手段２の機械角φがゼロのとき、第１走査手段２から楕円ミラー４に入射された光（図４のａ３）の収光点は、第２走査手段３の中心点３ｄと一致する。このように、第１走査手段２の揺動中に第２光反射面３ａにおける収光点がずれるため、対象領域における二次元走査の走査軌跡は、このずれに応じて定まる。また、二次元走査可能な範囲も収光点のずれに応じて定まる。例えば、光走査装置１を光測距装置の光走査手段に用いる場合は、収光点のずれに応じて定まる二次元走査可能な範囲を対象領域よりも広くなるように設定すると共に、対象領域に設定する各画素にレーザ光を照射できるように、収光点のずれに応じて定まる走査軌跡に基づいて、光走査装置１に入射するレーザ光の投光タイミングを設定すればよい。
【００２２】
図６は、各走査手段２，３の具体例としての一次元ガルバノミラー３０，３０’の構成を示している。本実施形態において、第１走査手段２としての一次元ガルバノミラー３０（以下において「第１ガルバノミラー３０」と言う）と、第２走査手段３としての一次元ガルバノミラー３０’（以下において「第２ガルバノミラー３０’」と言う）はそれぞれ別体で形成されているが、それぞれの基本構成は同じである。各ガルバノミラー３０，３０’は、それぞれ枠状の固定部３１と、固定部３１の内側に配置されて第１揺動軸２ｂ又は第２揺動軸３ｂとしての一対のトーションバー３２，３２によって揺動可能に支持された可動板３３と、を備える。但し、各ガルバノミラー３０，３０’のトーションバー３２，３２等の寸法等は設計仕様に応じてそれぞれ設定されている。本実施形態において、第１ガルバノミラー３０は、第１ガルバノミラー３０の光走査方向が対象領域の水平方向と一致するように配置され、第２ガルバノミラー３０’は、第２ガルバノミラー３０’のトーションバー３２，３２が第１ガルバノミラー３０のトーションバー３２，３２と直交するように配置されている。
【００２３】
可動板３３の中央部には第１光反射面２ａ又は第２光反射面３ａとしてのミラー３４が形成され、可動板３３の周縁部には駆動コイル３５が形成されている。駆動コイル３５の端部は、固定部３１に形成された電極端子３６，３６に接続されている。
【００２４】
また、駆動コイル３５に磁界を作用させる一対の第１永久磁石３７，３７が固定部３１を挟んでそれぞれ対向配置されている。なお、固定部３１、トーションバー３２，３２及び可動板３３は、半導体基板から一体的に形成されている。
【００２５】
各ガルバノミラー３０，３０’は、駆動コイル３５に流れる電流（例えば、交流電流）と、永久磁石３７，３７による磁界と、によって可動板３３にローレンツ力が作用し、その結果、可動板３３が一次元方向に揺動する。第１ガルバノミラー３０では、可動板３３が揺動することによってミラー３４に入射されるレーザ光が第１揺動軸２ｂとしてのトーションバー３２，３２の軸回り方向に走査角θ１で反射走査されて楕円ミラー４に入射される。第２ガルバノミラー３０’では、可動板３３が揺動することによって入射されるレーザ光が第２揺動軸３ｂとしてのトーションバー３２，３２の軸回り方向に反射走査されて対象領域に出射される。これにより、第１ガルバノミラー３０のミラー３４に入射されたレーザ光が対象領域内で二次元走査される。このとき、対象領域の水平方向の走査画角θ２は、走査角θ１よりも大きくなっている。
【００２６】
図２に戻って、前記駆動手段５は、各ガルバノミラー３０，３０’をそれぞれのトーションバー３２，３２の軸回りに揺動させる駆動信号を、各ガルバノミラー３０，３０’に供給するものであり、例えば、駆動回路５ａによって構成されている。この駆動回路５ａは、各ガルバノミラー３０，３０’用の駆動信号（例えば、交流電流）を、各ガルバノミラー３０，３０’の可動板３３が有するトーションバー３２，３２回りの共振周波数にそれぞれ合わせて設定された駆動周波数で、電極端子３６，３６を介して駆動コイル３５に供給する。以下において、第１ガルバノミラー３０用の駆動信号を第１駆動信号と言い、第２ガルバノミラー３０’用の駆動信号を第２駆動信号と言う。
【００２７】
次に、以上のような構成を有する光走査装置１の動作について、図１〜図３に基づいて説明する。なお、以下の説明では、第１ガルバノミラー３０の走査角θ１は３０°であり、Ｌ１とＬ２の比はＬ１：Ｌ２＝２：１である場合を一例として説明する。
【００２８】
まず、駆動回路５ａは、第１ガルバノミラー３０用に初期設定された駆動周波数で第１駆動信号を、駆動コイル３５に供給することにより、第１ガルバノミラー３０をトーションバー３２，３２の軸回り方向（水平方向）に揺動させる。同時に、駆動回路５ａは、第２ガルバノミラー３０’用に初期設定された駆動周波数で第２駆動信号を、駆動コイル３５に供給することにより、第２ガルバノミラー３０’をトーションバー３２，３２の軸回り方向（垂直方向）に揺動させる。ここで、第１ガルバノミラー３０のミラー３４の中心点２ｄに入射された光は、この可動板３３が揺動することにより、反射走査され楕円ミラー４に入射され、この楕円ミラー４に入射された光は、第２ガルバノミラー３０’のミラー３４のほぼ中心点３ｄに収光される。そして、この収光された光は、第２ガルバノミラー３０’の可動板３３が揺動することにより、ミラー３４で反射走査され対象領域に出射される。ここで、楕円ミラー４から第２ガルバノミラー３０’までの光の光路が楕円ミラー４の長軸Ａ１に対して成す角度θ’は、第１ガルバノミラー３０から楕円ミラー４までの光の光路が楕円ミラー４の長軸Ａ１に対して成す角度θよりも大きくなる。このとき、出射光の水平方向の走査画角θ２は、前述した（３）式より、約５６．３°となり、走査画角θ２は、第１ガルバノミラー３０の最大機械角φｍａｘによって定まる走査画角（すなわち、θ１＝３０°）の約１．８倍に拡大される。
【００２９】
このように、本実施形態による光走査装置１によれば、駆動信号の大きさは従来と同じでよいため、駆動信号の大きさを高めることなく走査画角θ２を大きくすることができる。また、従来と同じ走査画角θ２でよい場合は、駆動信号の大きさを従来よりも小さくすることができるため、省電力化することもできる。なお、本実施形態においては、第１走査手段２の光走査方向が対象領域の水平方向と一致するように第１走査手段２を配置させ、対象領域の水平方向の走査画角を大きくさせた場合で説明したが、対象領域の垂直方向と一致するように第１走査手段２を配置させた場合は、垂直方向の走査画角を大きくすることができる。
【００３０】
次に、本発明の第２実施形態による光走査装置について説明する。
図７は、本発明に係る光走査装置の第２実施形態の概略構成を示す斜視図である。なお、図１の第１実施形態と同様の要素には同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。また、本実施形態における光走査装置１の動作は、第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。
【００３１】
本実施形態において、第１走査手段２と第２走査手段３は、１個のチップ上に一体形成されている。各走査手段２，３の具体例としては、図６に示した第１ガルバノミラー３０及び第２ガルバノミラー３０’を用いて構成する。但し、本実施形態においては、図７に示すように、各走査手段２，３の固定部３１は共通化されている。なお、図７においては、図の簡略化のため、各走査手段２，３の駆動コイル３５、電極端子３６，３６及び永久磁石３７，３７は、図示省略している。
【００３２】
図８は、図７に示した光走査装置１のＣ―Ｃ’矢視断面図である。図８から分かるように、本実施形態においても、例えば、第１光反射面２ａの中心点２ｄを基準平面に投影した点が楕円の一方の焦点Ｆ１と一致し、第２光反射面３ａの中心点３ｄを基準平面に投影した点が一方の焦点Ｆ１と楕円ミラー４間に位置する他方の焦点Ｆ２と一致し、かつ、中心点２ｄと中心点３ｄの間に基準平面が位置するという位置関係を満足させることができるため、第１実施形態と同様に、楕円ミラー４の収光特性を利用することができる。
【００３３】
このように構成された本実施形態による光走査装置１によれば、第１実施形態と同様に、駆動信号の大きさを高めることなく走査画角θ２を大きくすることができる。さらに、本実施形態による光走査装置１によれば、１個のチップ上に各走査手段２，３を一体形成する構成であるため、組立時に、第１走査手段２に対する第２走査手段３の配置位置を調整する必要がない。したがって、第１走査手段２と第２走査手段３を別体で形成する第１実施形態と比較して、組立調整を簡素化することができる。
【００３４】
図９は、上記第２実施形態の光走査装置１の変形例を示す図である。図９に示すように、本変形例では、第１走査手段２は、第１揺動軸２ｂと直交する方向で第１可動板２ｃを均等に分割して形成した複数の第１分割可動板２ｃ’を備え、各第１分割可動板２ｃ’は、それぞれの第１揺動軸２ｂ’，２ｂ’を有して形成され、第２走査手段３は、第２揺動軸３ｂと直交する方向で第２可動板３ｃを均等に分割して形成した複数の第２分割可動板３ｃ’を備え、各第２分割可動板３ｃ’は、それぞれの第２揺動軸２ｂ’，２ｂ’を有して形成されている。
【００３５】
このように構成することにより、各分割可動板２ｃ’、３ｃ’の重さが分割前の各可動板２ｃ、３ｃよりも軽くなるため、各分割可動板２ｃ’、３ｃ’の共振周波数が高くなる。したがって、駆動手段５から各走査手段２，３に供給する駆動信号の周波数を高くすることにより、光を高速走査することができる。
【００３６】
また、本変形例において、複数の第１反射面２ａ’の面積の総和は、図７に示した分割前の第１反射面２ａの面積と同じになるように形成されており、複数の第２反射面３ａ’の面積の総和は、分割前の第２反射面３ａの面積と同じになるように形成されている。これにより、光走査装置１を光測距装置の対象領域からの反射光を受光する手段としても利用する場合、受光の光量を維持したまま光を高速走査することができる。
【００３７】
なお、上記第１及び第２実施形態においては、光走査装置１を光測距装置の光走査手段として用いた場合で説明したが、光走査装置１は、これに限らず、レーザ走査型のプロジェクタにおける光走査手段としても用いることができる。この場合でも、従来と同じ駆動信号の大きさで、走査画角を大きくすることができるため、駆動信号の大きさを高めることなく走査画角を大きくすることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１・・・・光走査装置
２・・・・第１走査手段
２ａ・・・第１光反射面
２ｂ・・・第１揺動軸
２ｃ・・・第１可動板
２ｄ・・・第１光反射面上の反射点（中心点）
２ｃ’・・第１分割可動板
３・・・・第２走査手段
３ａ・・・第２光反射面
３ｂ・・・第２揺動軸
３ｃ・・・第２可動板
３ｃ’・・第２分割可動板
３ｄ・・・第２光反射面上の反射点（中心点）
４・・・・楕円ミラー
４ａ・・・反射面
５・・・・駆動手段
Ｌ１・・・楕円の長軸
Ｆ１・・・一方の焦点
Ｆ２・・・他方の焦点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光反射面を有し第１揺動軸回りに揺動可能に形成された第１可動板を備え、前記第１可動板が揺動することによって、光源から前記第１光反射面に入射される光を反射走査する第１走査手段と、
前記第１走査手段の光走査方向については楕円の長軸側の円弧形状に湾曲し、前記第１走査手段の光走査方向と直交する方向については前記円弧形状を延設した形状の反射面を有し、前記第１走査手段から入射される光を反射する楕円ミラーと、
第２光反射面を有し第２揺動軸回りに揺動可能に形成された第２可動板を備え、前記第２可動板が揺動することによって、前記楕円ミラーからの光を前記第１走査手段の光走査方向と直交する方向に反射走査する第２走査手段と、
前記第１及び第２可動板を各揺動軸回りに揺動させる駆動信号を前記第１及び第２走査手段にそれぞれ供給する駆動手段と、
を備え、
前記楕円を含む基準平面の垂直方向から見て前記第１光反射面上の反射点を前記基準平面に投影した点が前記楕円の一方の焦点と一致するように前記第１走査手段を配置し、前記基準平面の垂直方向から見て前記第２光反射面上の反射点を前記基準平面に投影した点が前記一方の焦点と前記楕円ミラー間に位置する他方の焦点と一致し、かつ、前記基準平面に対して前記第１走査手段と反対側に位置するように前記第２走査手段を配置して構成することを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記第１走査手段と前記第２走査手段は、１個のチップ上に一体形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記第１走査手段は、前記第１揺動軸と直交する方向で前記第１可動板を均等に分割して形成した複数の第１分割可動板を備え、各第１分割可動板は、それぞれの前記第１揺動軸を有して形成され、前記第２走査手段は、前記第２揺動軸と直交する方向で前記第２可動板を均等に分割して形成した複数の第２分割可動板を備え、各第２分割可動板は、それぞれの前記第２揺動軸を有して形成され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。
【請求項１】
第１光反射面を有し第１揺動軸回りに揺動可能に形成された第１可動板を備え、前記第１可動板が揺動することによって、光源から前記第１光反射面に入射される光を反射走査する第１走査手段と、
前記第１走査手段の光走査方向については楕円の長軸側の円弧形状に湾曲し、前記第１走査手段の光走査方向と直交する方向については前記円弧形状を延設した形状の反射面を有し、前記第１走査手段から入射される光を反射する楕円ミラーと、
第２光反射面を有し第２揺動軸回りに揺動可能に形成された第２可動板を備え、前記第２可動板が揺動することによって、前記楕円ミラーからの光を前記第１走査手段の光走査方向と直交する方向に反射走査する第２走査手段と、
前記第１及び第２可動板を各揺動軸回りに揺動させる駆動信号を前記第１及び第２走査手段にそれぞれ供給する駆動手段と、
を備え、
前記楕円を含む基準平面の垂直方向から見て前記第１光反射面上の反射点を前記基準平面に投影した点が前記楕円の一方の焦点と一致するように前記第１走査手段を配置し、前記基準平面の垂直方向から見て前記第２光反射面上の反射点を前記基準平面に投影した点が前記一方の焦点と前記楕円ミラー間に位置する他方の焦点と一致し、かつ、前記基準平面に対して前記第１走査手段と反対側に位置するように前記第２走査手段を配置して構成することを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記第１走査手段と前記第２走査手段は、１個のチップ上に一体形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記第１走査手段は、前記第１揺動軸と直交する方向で前記第１可動板を均等に分割して形成した複数の第１分割可動板を備え、各第１分割可動板は、それぞれの前記第１揺動軸を有して形成され、前記第２走査手段は、前記第２揺動軸と直交する方向で前記第２可動板を均等に分割して形成した複数の第２分割可動板を備え、各第２分割可動板は、それぞれの前記第２揺動軸を有して形成され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。
【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２０１２−２５２０６８（Ｐ２０１２−２５２０６８Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２３０４６（Ｐ２０１１−１２３０４６）
【出願日】平成２３年６月１日（２０１１．６．１）
【出願人】（０００００４６５１）日本信号株式会社 (720)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月１日（２０１１．６．１）
【出願人】（０００００４６５１）日本信号株式会社 (720)
【Ｆターム（参考）】
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