(57)【要約】【課題】幅広い領域の高精度な検知が可能であり、安価で小型化可能な光走査型検知装置を提供する。【解決手段】  上記課題を解決するための本発明の光走査型検知装置は、光走査手段と、走査光を平行光に変換する光学系と、前記平行光を集光する長尺の導光体とを有し、該導光体は、入射光を両端部方向に反射する一定周期の凹凸形状が形成されたことを特徴とする。また、前記長尺の導光体の両端部に光検出器が配置され、該両端部の光検出器の出力の差に基づいて検知が行われてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光走査手段と、
走査光を平行光に変換する光学系と、
前記平行光を集光する長尺の導光体とを有し、
該導光体は、入射光を両端部方向に反射する一定周期の凹凸形状が形成されていることを特徴とする光走査型検知装置。
【請求項２】
前記長尺の導光体の両端部に光検出器が配置され、該両端部の光検出器の出力の差に基づいて検知が行われることを特徴とする請求項１に記載の光走査型検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光走査によって物体の形状寸法、及び、通過位置を検出する光走査型検知装置、並びに、それを用いた画像読み取り装置に係わる。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光学的な物体の検知装置として、ポリゴンミラーなどを用いて一定速度の光走査を行い、その走査域に被測定物を配置して走査光が遮られる時間から寸法を測定するものがある（特許文献１参照）。このような装置では、放射状の走査光をコリメータレンズで平行光にして被測定物に照射し、遮られずに通過した光をレンズで集光して光検出器で検出する。
【０００３】
一方、スキャナなどの画像読み取り装置において、読み取った画像の枠の検知や斜行補正を正確に行うために紙葉類の形状寸法と読み取り時の斜行量の情報が必要であり、搬送中の紙葉類の幅と、紙葉類端部の画像読み取りセンサに対する通過位置の変化を精密に測定する要求がある。近年の画像読み取り装置の高速化、高機能化のために、搬送される紙葉類を光走査で検出するには高速走査が求められ、また、紙葉類のサイズは名刺や写真からＡ３用紙まで対応できるように幅広い走査域と、サイズの小さい紙葉類でも正確に斜行量が測定できる高い分解能が必要となる。
【０００４】
高速走査を可能にするものとして、ミラー部を捻り梁で支持した振動素子がある。振動素子はミラー部の慣性モーメントと捻り梁のばね定数で決まる共振周波数を持ち、この共振周波数で駆動することで高速走査と大きな走査角を得ることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６-００３１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
［小型化］
しかしながら、特許文献１の検知装置を画像読み取り装置に用いた場合、幅広い領域を検知するために投射距離が増大して大型化し、また、光学系に用いられるレンズなどの光学部品も長尺の高価なものが必要になるという課題がある。
【０００７】
［走査安定性、等速性］
また、遮光時間から寸法を検知する場合、光走査速度の安定性が課題となる。空気抵抗の変動が大きな要因である走査速度のジッタは、高速で回転振動する振動素子において特に影響が大きく、精密な駆動制御が必要となる。この制御は制御手段の処理能力に対して大きな負荷となり、コストの増大にも繋がる。
【０００８】
また、遮光時間の計測データから寸法を算出する際には光走査の等速性が課題となる。光走査速度が走査域全域で一定であれば寸法は遮光時間に比例するが、光走査速度が一定でない場合には変換式等による演算が必要となる。この非等速性の課題は、高速走査のために振動素子を共振周波数で駆動する場合に特に顕著となる。振動素子の走査角は時間に対して正弦波状に変化し、非測定物への照射においてビームスポットの移動速度は大きく変化するため、計測された遮光時間からの寸法算出の演算の負荷が大きくなる。非等速性の影響は、振動ミラーの全走査角に対して検出に用いられる有効走査角の割合が大きい場合に顕著であり、測定装置の小型化のために投射距離を短くし、且つ、幅広い領域の走査を行おうとしたときに、特に大きな課題となる。アークサインレンズなどを追加すれば等速性を得ることは可能であるが、装置が大きくなると共に、高価な長尺のレンズ数が増加することになる。
【０００９】
また、非等速性の課題については等角速度回転するポリゴンミラーを用いたとしても同様に生じ、等速性を確保するにはｆθレンズ等を用いる必要がある。装置の小型化や低背化のために走査中心から測定位置までの投射距離を短くして画角を大きくした場合には、ｆθレンズ等によるビームスポット移動速度の補正自体が難しくなるという課題も生じる。
【００１０】
このような状況を鑑みてなされた本発明の目的は、幅広い領域の高精度な検知が可能であり、安価で小型化可能な光走査型検知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明の光走査型検知装置は、光走査手段と、走査光を平行光に変換する光学系と、  前記平行光を集光する長尺の導光体とを有し、該導光体は、入射光を両端部方向に反射する一定周期の凹凸形状が形成され、前記長尺の導光体の両端部に光検出器が配置され、該両端部の光検出器の出力の差に基づいて検知が行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の光走査型検知装置に依れば、走査光の検出に長尺の導光体が用いられるため、検出系の大幅な低背化ができ、装置の小型化が可能になる。
【００１３】
また、本発明の光走査型検知装置に依れば、走査光が導光体に取り込まれた後に一定周期の凹凸形状により導光体端部へ導かれるため、光走査に伴うビームスポットの移動に対して、一定の距離を移動する毎に導光体端部に光パルスが現れる。このため、パルス数をカウントすることでビームスポットの移動速度の変化または変動、即ち、非等速性やジッタの影響を受けずに物体の寸法及び位置測定が可能となる。これにより、共振周波数で駆動される振動ミラーを用いて高速、且つ、高精度な測定が可能となる。また、これにより、駆動制御手段や演算処理の負荷を減らすことができ、駆動制御手段や演算処理手段の小型化と低コスト化が可能になる。
【００１４】
また、本発明の光走査型検知装置に依れば、導光体の両端部に光検出器が配置されるため、両端部で交互に現れる光パルスを差動検出することにより、ＳＮ比の高い検知が可能となる。これにより、長尺の導光体の中央部から端部に導光した場合でも正確にパルス光を検出することができ、幅広い領域の高精度な検知が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態を示す平面図である。
【図２】本発明の実施形態を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態を示す斜視図及び平面図である。
【図４】本発明の実施形態による検出信号の例を示すグラフ図である。
【図５】本発明の実施形態を説明するグラフ図である。
【図６】本発明の実施形態を示す平面図である。
【図７】本発明の実施形態を説明する平面図である。
【図８】本発明の実施形態を示す平面図である。
【図９】本発明の実施例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
（実施形態１）
［装置構成］
図１に本発明の実施形態である光走査型検知装置１を示す。レーザ光源２００から射出されたビームは射出光学系２１０を通過して振動素子１０で走査される。走査光は長尺のシートレンズ３００により平行光に変換されて、カバー部材２３０を通して被測定物９００に照射される。カバー部材２３０を通して形成された走査線は被測定物９００により一部が遮られ、通過した走査光は長尺の導光体５１０に入射する。入射した走査光は導光体に形成された凹凸形状による反射でパルス化されて両端部に導かれ、端部に配置されたフォトセンサ５００及び５０１で検出される。測定に利用される範囲の走査角θｅｆｆよりも広い走査角の位置にはビームディテクタ（ＢＤ）２２０及び２２１が配置されている。
【００１８】
レーザ光源にはレーザダイオードが用いられ、ビーム波長としては可視光の他、赤外光を用いても良い。シートレンズにはフレネルレンズや回折レンズを用いることができ、アクリル樹脂等に型により表面凹凸形状を形成して作製される。限定されるものではないが、作製の容易性とコストの観点からシートレンズはシリンドリカルレンズであるのが好ましい。導光体にはガラスや透明樹脂が用いられ、切削や成型により作製される。導光体の凹凸形状部分の表面にはＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ等の金属膜や粗面に塗料を塗布した散乱体などが形成される。カバー部材には物体との接触により摩耗しにくい特性が求められ、硬度の高いガラス材等が好適に用いられる。
【００１９】
［信号処理］
図２に光走査型測定装置の信号処理手段を示す。光パルスを検出した導光体両端のフォトセンサの検出信号は差動増幅されて２値化処理が施された後に、パルス数がカウンタで計測される。カウンタにはＢＤの検出信号に基づいてリセット、トリガが掛けられ、計測されたカウントは位置情報に変換されて物体端位置データとして出力される。また、走査系の２つのＢＤの検出信号は、信号処理回路により２つのＢＤ間の走査時間計測用２値化信号に変換され、それのパルス幅により走査時間が計測される。計測された走査時間から振動素子の振動振幅が計算され、駆動制御回路により振動振幅の測定値と目標値の差異に基づいて振動素子の駆動信号が生成されて、最大走査角θｍａｘが一定に制御される。
【００２０】
［動作原理］
図３（ａ）に導光体５１０の一部の拡大図を示す。入射光Ｌ１及びＬ２は導光体に形成された鏡面Ｍ１及びＭ２により両端部方向に反射される。反射光は透明導光体内側の全反射により端部まで導かれる。図３（ｂ）に導光体５１０の断面図を示す。鏡面Ｍ１及びＭ２を導光体の下部に形成して角度を持たせることにより、反射光は上部方向へ進行する。上部には凹凸形状は形成されていないため、内部全反射の繰り返しにより光量の減衰を抑えて長距離の導光が可能となる。
【００２１】
図４にフォトセンサの光検出信号の一例を示す。横軸は時間、縦軸は信号の大きさを示し、一方の走査端から他方へ走査したときの検出信号である。光検出信号はフォトセンサ５００と５０１の差動出力であり、両端部で検出される走査光は一定周期の凹凸形状により交互にパルス化されるため、ビームスポットが所定の距離移動する毎に光検出信号にパルス状の波形が現れる。図中の信号Ｖ１及びＶ２は光検出信号を２値化したものであり、Ｖ１は物体の無いとき、Ｖ２は物体により走査光が遮光されたときのものである。図中Ａの区間のパルス数は一方の走査端から物体の一方の端部までの距離に比例し、その距離はマスク部材の遮光部の形成ピッチにパルス数を乗算したものとなる。また、Ｃの区間も同様にパルス数が物体の他方の端部から他方の走査端までの距離に対応する。物体が存在しない状態で検出されていたパルスのうち、物体の存在で現れなくなったＢの区間のパルス数は、物体の走査方向の幅に対応する。また、物体が一定速度で走査方向と直交する方向に搬送されていれば、これを連続的に走査してパルス計測することで、物体の２次元的な形状測定、及び、搬送時の斜行などの姿勢検知が可能となる。光パルス数の計測は、光検出信号に閾値を設定して２値化する他、光検出信号の微分波形を得て閾値を設定し、光検出信号の立ち上がり、または、立ち下りを検出する方法で行っても良い。
【００２２】
図５に振動素子の走査によるビームスポット移動速度の変化率を示す。横軸は走査角であり、縦軸は走査中央位置の移動速度を基準にした移動速度の変化率である。グラフ１から５は夫々、走査角の最大値θｍａｘが３５、４０、４５、５０、５５度のときのものであり、移動速度がゼロになって横軸と交わる角度θがそれらに相当する。走査角の最大値θｍａｘに対して測定に使用される角度範囲θｅｆｆが小さい場合を除いて、共振を利用して駆動される振動素子の等速性は良くない。例えばグラフ４の走査角の最大値θｍａｘが５０度のときを考えると、５０度のうち４５度を測定に使用する角度θｅｆｆとした場合、スポットの移動速度は中央から走査端への移動に伴って、一度＋８％程度まで増加して減少に転じ、測定範囲の端部では−１２％程度まで減少する。即ち、測定中に２０％程度の速度変化が生じる。このような速度変化の影響は、光検出信号のパルス周期変化に現れる。本発明では、パルス数の計測による測定を行うため、この周期変化の影響を受けずに、高精度な測定が可能となる。また、測定装置を低背化して小型化する場合には、測定に使用する走査角θｅｆｆを大きくする必要があるが、素子の耐久性に係わる振動素子への負荷を考えると、走査角の最大値θｍａｘはできるだけ小さく抑えるのが好ましい。このため、走査角の最大値θｍａｘのうち測定に使用する走査角θｅｆｆをできるだけ大きくするのが好ましいが、これはさらにスポット移動速度の等速性の低下を招く。例えばグラフ４の走査角の最大値θｍａｘが５０度のうち４９度を測定に使用する角度θｅｆｆとした場合、測定範囲端部での速度は−５０％まで低下する。このように小型化を行った場合にも、パルス数の計測による測定を行えば非等速性の影響を受けない。また、パルス数の計測のみで複雑な信号処理やデータ演算は不要であるため、共振駆動される振動素子の高速走査を利用して、物体の高速測定が可能となる。本発明により、小型で高速搬送時の高精度測定が可能な光走査型測定装置を実現できる。
【００２３】
［振動素子］
図６に振動素子１１〜１４を示す。ミラー部ベース１２０を挟んで両側にミラー部１０１及び１０２が配置された振動体は、捻り梁１１０、１１１により回転振動可能に支持される。捻り梁はフレーム１３０に保持され、ミラー部ベース１２０と捻り梁１１０、１１１、フレーム１３０は一体に成形されている。捻り梁のミラー部ベース付近には磁石１４０、１４１、１４２及び１４３が配置され、駆動信号に基づいてコイル１６１及び１６２より発生する磁界の作用により振動体に回転振動が励起される。
【００２４】
捻り梁にはシリコンの他、金属や樹脂などの材料を用いることができ、半導体プロセスによるシリコンウエハの加工の他、プレス加工や射出成形等で形成される。金属材料を用いる場合には、材料特性の非線形性や振動減衰率が小さく疲労限界の高い時効硬化型のＣｏ−Ｎｉ基合金などが好適に用いられる。捻り梁とフレームは一体に成形されるのが好ましいが、これに限定されるものではなく、別部材で支持する構成としても良い。ミラー部は平坦性と反射率が確保できるものであれば良く、シリコンウエハの他、ミラー部ベースに金属反射膜を成膜したものであっても良い。磁石は小型で磁力の大きいものが好ましく、ネオジム磁石やサマリウムコバルト磁石などが好適に用いられる。
【００２５】
振動素子の構成はミラー部の磁石に磁界を作用させるものの他、ミラー部にコイルパターンを形成して外部に磁石を配置するものであっても良い。また、電磁駆動に限定されるものではなく、圧電駆動や静電駆動方式の振動素子であっても良い。
【００２６】
（他の実施形態）
上述の実施形態において振動素子からシートレンズまでの距離を短くした場合、走査域中央部と端部とでの投射距離に大きな差異が生じて、走査線上のビームスポット径を一定にすることが困難になることがある。このとき、ビームスポット径の大きい位置では検知の分解能が低下してしまう。これに対して、振動素子に焦点可変手段を設けることで走査線上のビームスポット径を一定に保つことが可能である。図７に焦点可変手段の動作を示す。図７は振動素子のミラー部を、圧電材を用いたユニモルフ構造等により曲率変形可能にした場合のものである。図７（ｂ）のように、振動素子から検出面Ｓまでの投射距離が長い走査端でビーム径が最小になるようにすると、走査中央では図７（ａ）のように検出面Ｓから大きく離れた点線で示された位置に焦点が移動する。このとき、検出面Ｓ上でのビームスポット径は肥大化し、これに合わせて導光体の凹凸形状の周期を設定する必要から検知分解能は低下する。焦点可変手段により焦点距離を調整することで、図７（ａ）の実線で示すように走査中央でも検出面Ｓ上に焦点を移動させることができ、導光体の凹凸形状の周期を短くして高分解能測定が可能になる。
【００２７】
焦点可変手段の制御は、左右対称な光学系で且つ、対称な走査範囲で用いる場合には、１走査周期に２回の焦点調整が必要であり、振動素子の振動周波数の偶数倍の周波数を含む制御信号を用いて、常に焦点が検出面Ｓ上にあるように制御される。光学系が非対称な場合、または、測定に用いる走査角が非対称な場合は、奇数倍の周波数を含む制御信号をさらに重畳させた制御信号で制御される。
【００２８】
図８に本発明の他の実施形態である光走査型測定装置２を示す。走査光を平行光に変換する光学系に曲面ミラーを用いたものであり、走査光学系はこのような構成であっても良い。検出光学系は図１と同様である。曲面ミラーは、樹脂モールドに反射膜を成膜したものの他、研磨処理を施した鏡面金属板や反射膜を形成したガラス薄板を用いて弾性変形状態で曲面に保持するなどの構成であっても良い。ガラス板は鏡面を形成しやすく、また、厚さ数十μｍのガラスリボンで溶融処理により端面にＲ形状を形成したものを用いれば曲面に変形保持しても破損することは無く、より安価に走査光学系を構成できる。
【００２９】
（実施例）
図９（ａ）に本発明の実施例である画像読み取り装置５を示す。本実施例では、上述した光走査型測定装置をラインセンサ状に並べて配置し、画像読み取り装置の低背化を図っている。光走査型測定装置は、図９（ｂ）のように光走査方向に並べて配置しても良いし、図９（ｃ）のように搬送方向にずらして配置しても同様に良い。図９（ｃ）の配置に依れば、ラインセンサ状に複数の光走査型測定装置を配置した場合であっても、測定装置間の繋ぎ目に検出できない領域ができることは無く、搬送路全幅で測定が可能になる。並べて配置された光走査型測定装置の光走査は同期して行われ、同じ時間間隔で搬送される紙葉類の測定がなされる。
【００３０】
画像読み取り装置５において、紙葉類９１０は搬送ローラの回転により搬送路８２０を高速搬送され、光走査型測定装置により通過中の紙葉類の幅と搬送路の横幅に対する紙葉類両端部の通過位置とが連続的に測定されて、紙葉類の２次元的な形状寸法と、搬送時の姿勢、即ち、斜行量が検出される。光走査型測定装置を通過した紙葉類は画像読み取りセンサ８００、８０１により両面の画像が取り込まれる。画像の読み取りが完了した紙葉類は搬送ローラにより搬送されて画像読み取り装置上部に排出される。取り込まれた画像は、光走査型測定装置の形状、寸法測定結果に基づいて紙葉類以外の背景が写った部分が切り取られ、斜行量の検出結果に基づいて斜行補正がなされて記憶媒体等に保存される。
本実施例の画像読み取り装置は、本発明の光走査型測定装置を用いているため、安価で小型化が可能であり、また、幅の広い紙葉類に対しても高速で高精度な寸法測定が可能である。これにより、高速で搬送した際にも正確な画像切り取り、斜行補正ができる。本発明により、小型で安価であり、読み取り速度、及び、読み取り性能に優れた画像読み取り装置が実現できる。
【符号の説明】
【００３１】
１、２  光走査型測定装置
５  画像読み取り装置
１０、１１、１２、１３、１４  振動素子
１００  ミラー部
１１０、１１１  捻り梁
１２０  ミラー部ベース
１３０  フレーム
１４０  磁石
１５０  ヨーク
１６０  コイル
２００  レーザ光源
２１０  射出光学系
２２０、２２１  ビームディテクタ
２３０  カバー部材
３００、３０１、３０２  シートレンズ
４００  マスク部材
５００、５０１、５０２、５０３、５０４  フォトセンサ
５１０  導光体
７００、７０１  信号処理手段
８００、８０１  画像読み取りセンサ
８１０  搬送ローラ
８２０  搬送路
９００  物体
９１０  紙葉類
【図１】
2019028156.tif 000003
【図２】
2019028156.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019028156.tif 000009
【図８】
2019028156.tif 000010
【図９】
2019028156.tif 000011