(57)【要約】【課題】  振動アクチュエータの小型化と生産性とを両立させる。【解決手段】  振動アクチュエータにおいて、１本のねじり棒バネ３０により、ミラー３と永久磁石４３を固定した可動子であるフレーム４２を、基板に対して回転可能に片持ち支持する。ねじり棒バネ３０は、可動子の回転軸に垂直な方向の断面形状は、少なくとも、長手方向が第１の方向である第１の部分と、長手方向が上記第１の方向と平行でない第２の方向である第２の部分とを有する形状、例えばＨ字型とする。また、永久磁石４３と対向させて、コイル４５とヨーク４６とを備えたステータ４１を配置する。配線４７を介してコイル４５に所定のパルスを通電することにより、永久磁石４３に力を加え、ねじり棒バネ３０をねじって上記可動子を所定の回転角で往復回転駆動することができる。【選択図】        図３
2012157802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動子と、
前記可動子を所定の回転角で往復回転駆動する駆動部と、
一方の端部に前記可動子が固定され、前記可動子を回転可能に支持する１本のねじり棒バネとを備え、
前記ねじり棒バネは、前記可動子の回転軸に垂直な方向の断面が、少なくとも、長手方向が第１の方向である第１の部分と、長手方向が前記第１の方向と平行でない第２の方向である第２の部分とを有する形状であり、
前記可動子が前記ねじり棒バネにより支持されることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の振動アクチュエータであって、
前記ねじり棒バネにおいて、前記第１の方向と前記第２の方向とが互いに垂直であることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項３】
請求項２に記載の振動アクチュエータであって、
前記ねじり棒バネは、前記可動子の回転軸に垂直な方向の断面が、Ｈ字型であることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１に記載の振動アクチュエータであって、
前記ねじり棒バネにおいて、前記可動子の回転軸に垂直な方向の断面が、長手方向が前記第１の方向とも前記第２の方向とも平行でない第３の方向である第３の部分をも有する形状であることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の振動アクチュエータであって、
前記ねじり棒バネの材質は弾性体であり、成形により形成されたものであることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項６】
請求項５に記載の振動アクチュエータであって、
前記可動子の材質が樹脂であり、
前記ねじり棒バネと前記可動子とが、二色成形により一体に成形されたものであることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の振動アクチュエータであって、
前記ねじり棒バネの、前記一方の端部と反対側の他方の端部に、前記可動子の回転軸に垂直な方向の断面積が前記ねじり棒バネより大きい部材を設け、
前記ねじり棒バネと該部材とが成形により一体に形成されていることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の振動アクチュエータと、
光を出射する発光部とを備え、
前記可動子に、前記発光部から出射された光を反射するミラーを備え、
前記発光部が出射して前記ミラーで反射された光により対象を走査することを特徴とする光走査装置。
【請求項９】
光反射率が周囲と異なるモジュールが配列されたコード記号により示される情報を読み取る光学的情報読取装置であって、
請求項８に記載の光走査装置を備えたことを特徴とする光学的情報読取装置。
【請求項１０】
可動子と、前記可動子を所定の回転角で往復回転駆動する駆動部と、一方の端部に前記可動子が固定され前記可動子を回転可能に支持する１本のねじり棒バネとを備えた振動アクチュエータの製造方法であって、
前記ねじり棒バネの材質は弾性体であり、
前記ねじり棒バネの前記可動子の回転軸に垂直な方向の断面が、少なくとも、長手方向が第１の方向である第１の部分と、長手方向が前記第１の方向と平行でない第２の方向である第２の部分とを有する形状となるように、前記ねじり棒バネと前記可動子とを二色成形により一体に成形する成形工程を備えることを特徴とする振動アクチュエータの製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の振動アクチュエータの製造方法であって、
前記成形工程において、前記ねじり棒バネの、前記一方の端部と反対側の他方の端部に、前記可動子の回転軸に垂直な方向の断面積が前記ねじり棒バネより大きい部材を、成形により前記ねじり棒バネと一体に形成し、
さらに、前記断面積が大きい部材を基板に接着することにより前記ねじり棒バネを該基板に固定する固定工程をも備えること特徴とする振動アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、可動子を所定の回転軸の回りに所定の回転角で往復回転運動させる振動アクチュエータ、対象を光により走査する光走査装置、このような光走査装置を備え、光反射率が周囲と異なるモジュールが配列されたコード記号により示される情報を読み取る光学的情報読取装置、および、上記のような振動アクチュエータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学式情報読取装置として、商品の品名や価格等の情報を示すバーコードを読み取るバーコードリーダが、流通業界や小売業界で広く使用されている。このようなバーコードリーダは、携帯型と定置型に大別され、携帯型のバーコードリーダでは、小型化、駆動電圧の低電圧化、高耐久性が求められる。
【０００３】
携帯型のバーコードリーダの中で、光ビーム走査方式と称されるバーコードリーダは、バーコードスキャナとも呼ばれ、レーザダイオード等の光源によって出射されるレーザ光をビーム状にし、この光ビームを反射するミラーを回転あるいは振動させることで光ビームを偏向し、バーコードを走査する。そして、バーコードからの反射光を集光し、受光センサで受光して電気信号に変換する。この得られた電気信号をＡ／Ｄ変換してコード化し、バーコード読取情報として出力する。
【０００４】
このようなバーコードリーダにおいては、バーコードを走査するビームを出力するモジュールが光走査装置に該当し、そのうち、反射用のミラーを回転あるいは振動させる機構がアクチュエータに該当する。
そして、この反射用ミラーの振動機構の小型化に関する技術として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。
特許文献１には、携帯型のバーコードリーダにおいて、２本以上のねじり棒バネによりミラーを設けた可動子を片持ち支持すると共に、それらのねじり棒バネを、可動子が回転するときに変位するねじれ方向以外への変位を阻害する配置で並列して設けることにより、装置を小型化し、かつ読取対象を確実に走査可能とすることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１７０４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載のバーコードリーダにおいては、装置を製造する際に、ねじり棒バネの固定に高い位置精度が要求されるという問題があった。これは、特許文献１に記載のバーコードリーダにおいては、物理的な実体としての可動子の回転軸が存在せず、回転軸の位置は、ねじり棒バネの相対的な向きや位置関係によって決まるため、これらがずれると、それに応じて回転軸の位置もずれ、適切な走査が行えなくなってしまうためである。また、同様な理由から、ねじり棒バネ自体の寸法精度も、高いものが必要であった。
【０００７】
従って、特許文献１に記載の構成では、大量生産の際の生産性の点で不満があった。
また、このような問題は、バーコードリーダ以外の装置に同様な振動機構を適用しようとする場合にも、同様に発生するものである。
この発明は、このような背景に鑑みてなされたものであり、可動子を所定の回転角で往復回転運動させる振動アクチュエータ及び、これを用いた光走査装置及び光学的情報読取装置において、小型化と生産性とを両立させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、上記の目的を達成するため、振動アクチュエータにおいて、可動子と、上記可動子を所定の回転角で往復回転駆動する駆動部と、一方の端部に上記可動子が固定され、上記可動子を回転可能に支持する１本のねじり棒バネとを設け、上記ねじり棒バネを、上記可動子の回転軸に垂直な方向の断面が、少なくとも、長手方向が第１の方向である第１の部分と、長手方向が上記第１の方向と平行でない第２の方向である第２の部分とを有する形状とし、上記可動子が上記ねじり棒バネにより支持されるようにしたものである。
【０００９】
このような振動アクチュエータの上記ねじり棒バネにおいて、上記第１の方向と上記第２の方向とが互いに垂直になるようにするとよい。
さらに、上記ねじり棒バネは、上記可動子の回転軸に垂直な方向の断面がＨ字型であるとよい。
あるいは、上記ねじり棒バネを、上記可動子の回転軸に垂直な方向の断面が、長手方向が上記第１の方向とも上記第２の方向とも平行でない第３の方向である第３の部分をも有する形状としてもよい。
【００１０】
また、上記の各振動アクチュエータにおいて、上記ねじり棒バネの材質を弾性体とし、成形により形成されたものとするとよい。
さらに、上記可動子の材質を樹脂とし、上記ねじり棒バネと上記可動子とを、二色成形により一体に成形されたものとするとよい。
さらに、上記ねじり棒バネの、上記一方の端部と反対側の他方の端部に、上記可動子の回転軸に垂直な方向の断面積が上記ねじり棒バネより大きい部材を設け、上記ねじり棒バネとその部材とが成形により一体に形成するようにするとよい。
【００１１】
また、この発明の光走査装置は、上記のいずれかの振動アクチュエータと、光を出射する発光部とを備え、上記可動子に、上記発光部から出射された光を反射するミラーを備え、上記発光部が出射して上記ミラーで反射された光により対象を走査するようにしたものである。
また、この発明の光学的情報読取装置は、光反射率が周囲と異なるモジュールが配列されたコード記号により示される情報を読み取る光学的情報読取装置において、上記の光走査装置を設けたものである。
【００１２】
また、この発明の振動アクチュエータの製造方法は、可動子と、上記可動子を所定の回転角で往復回転駆動する駆動部と、一方の端部に上記可動子が固定され上記可動子を回転可能に支持する１本のねじり棒バネとを備えた振動アクチュエータの製造方法において、上記ねじり棒バネの材質を弾性体とし、上記ねじり棒バネの上記可動子の回転軸に垂直な方向の断面が、少なくとも、長手方向が第１の方向である第１の部分と、長手方向が上記第１の方向と平行でない第２の方向である第２の部分とを有する形状となるように、上記ねじり棒バネと上記可動子とを二色成形により一体に成形する成形工程を備えることを特徴とする振動アクチュエータの製造方法。
【００１３】
このような振動アクチュエータの製造方法において、上記成形工程において、上記ねじり棒バネの、上記一方の端部と反対側の他方の端部に、上記可動子の回転軸に垂直な方向の断面積が上記ねじり棒バネより大きい部材を、成形により上記ねじり棒バネと一体に形成し、さらに、上記断面積が大きい部材を基板に接着することにより上記ねじり棒バネをその基板に固定する固定工程をも設けるとよい。
【発明の効果】
【００１４】
この発明による振動アクチュエータ、光走査装置、光学的情報読取装置及び振動アクチュエータの製造方法によれば、装置の小型化と生産性とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の光学的情報読取装置の一実施形態であるバーコードスキャナの全体構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示したバーコードスキャナが備える光学系の模式図である。
【図３】図１に示した光学系が備える振動アクチュエータの斜視図である。
【図４】図３に示した振動アクチュエータの（ａ）平面図、（ｂ）その一部拡大図、（ｃ）正面図、および（ｄ）右側面図である。
【図５】この発明の振動アクチュエータの一実施例の寸法を示す、図４と対応する図である。
【図６】図５に示した振動アクチュエータについての、ねじり棒バネ部分の応力解析結果を示す図である。
【図７】振動アクチュエータにおけるミラーの倒れ角度と走査ラインの関係についての説明図である。
【図８】図５に示した振動アクチュエータのブロック線図である。
【図９】この発明の実施形態の変形例におけるねじり棒バネの構成を示す、図４（ｂ）と対応する図である。
【図１０】そのさらに別の例を示す図である。
【図１１】そのさらに別の例を示す図である。
【図１２】そのさらに別の例を示す図である。
【図１３】そのさらに別の例を示す図である。
【図１４】この発明の実施形態の別の変形例におけるねじり棒バネの構成を示す、図４（ｄ）と対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
〔実施形態：図１乃至図４〕
まず、この発明の光学的情報読取装置の一実施形態であるバーコードリーダについて、図１乃至図４を参照しながら説明する。このバーコードリーダは、この発明の一実施形態である光走査装置及び振動アクチュエータを備えるものである。
図１は、そのバーコードリーダの全体構成を示す斜視図である。図２は、そのバーコードリーダが備える光学系の模式図である。図３は、図１に示した光学系が備える振動アクチュエータの斜視図である。図４は、図３に示した振動アクチュエータの（ａ）平面図、（ｂ）その一部拡大図、（ｃ）正面図、および（ｄ）右側面図である。
【００１７】
この発明の一実施形態であるバーコードリーダ１は、光反射率が周囲と異なるモジュールである白バーと黒バーが配列されたコード記号であるバーコードＢにより示される情報を読み取る携帯型の光学的情報読取装置である。
そして、操作部１１及び表示部１２を備え、操作部１１によりコード記号の読み取り指示その他のユーザからの操作を受け付けると共に、表示部１２により、読み取り結果の表示や走査受付のための画面の表示を行う。
【００１８】
また、バーコードリーダ１は、コード記号の読み取りのための構成として、光学モジュール１０を備える。そして、この光学モジュール１０が備える発光部２から出射されてミラー３で反射される光を、ミラー３を所定の回転角で往復回転動作させることで偏向して、読取対象のバーコードＢを走査する。また、バーコードＢを走査した光の反射光を受光部５で受光して、その光を光電変換した信号から、バーコードＢが示す情報を読み取る。
【００１９】
より具体的には、光学モジュール１０は、光走査のための構成として、発光部２と、発光部２から出射された光を反射するミラー３と、そのミラー３の角度を変えるミラー駆動部４とを備え、これらにより光走査装置を構成する。
このうち発光部２においては、半導体レーザ（ＬＤ）等で構成される光源２０と、光源２０から所定の放射角で放射された光を集光するレンズ２１と、レンズ２１で集光された光を絞るアパーチャ２２が筐体に取り付けられ、発光部２は、光源２０から放射された光を集光または平行光化したビーム光を出射する。なお、このビーム光は、後述する反射ミラー５０に設けた貫通穴５０ａを通って出射する。
【００２０】
また、ミラー駆動部４は、可動子４０とステータ４１を備える振動アクチュエータである。そして、可動子４０は、ミラー３と、ミラー３が取り付けられたフレーム４２と、フレーム４２に取り付けられた永久磁石４３とを備え、１本のねじり棒バネ３０で、図３及び図４（ｃ），（ｄ）に表われる金属製の基板６０（図１においては底面側に位置する）上に回転可能に支持される構成である。なお、これらの図において、基板６０は、ミラー駆動部４の近傍の部分のみを示している。また、図４（ａ）及び（ｂ）においては基板の図示は省略している。
【００２１】
これらのうちミラー３は、本例ではガラスで構成されるが、金属または樹脂等で構成しても良い。
また、フレーム４２は、本例では硬質の樹脂であるポリカーボネートで構成され、平板状の支持部４２ａの一方の端部に、支持部４２ａに対して垂直な方向に突出するミラー取付部４２ｂが一体に形成される。また、支持部４２ａの他方の端部には、支持部４２ａに対して垂直で、ミラー取付部４２ｂと同じ方向に突出するマグネット取付部４２ｃが一体に形成される。そして、フレーム４２の前面側となるミラー取付部４２ｂにミラー３が固着され、背面側となるマグネット取付部４２ｃに永久磁石４３が固着される。
【００２２】
そして、支持部４２ａには、ねじり棒バネ３０が、その上面に達するまで貫通して埋め込まれた状態となっており、このことにより、支持部４２ａはねじり棒バネ３０の一端部と一体化し、ねじり棒バネ３０に固定されている。
また、ステータ４１は、図３及び図４に表われるように、不図示のボビンに巻かれたコイル４５に、ヨーク４６を貫通させて、基板６０上に固定した構成である。また、コイル４５からは、給電のために一対の配線４７，４７が引き出されている。なお、図４（ａ）において、ステータ４１は、その中心軸を通り基板６０に平行な平面における断面を示している。また、図３以外の図において配線４７の図示は省略している。
受光部５は、読取対象を走査した光の反射光であってミラー３で反射された光を反射する反射ミラー５０と、反射ミラー５０で反射された光を受光し、光電変換して出力するフォトダイオード（ＰＤ）５１とを備える。
【００２３】
次に、ねじり棒バネ３０の構成及び機能について、より詳細に説明する。
まず、ねじり棒バネ３０の材質は、弾性を有する樹脂による弾性体であり、成形によって形成することができる。具体的には、シリコンゴム（例えば信越化学工業社製の信越シリコーン（商品名）ＫＥ−２０９５−６０）を用いることができる。
また、ねじり棒バネ３０と可動子４０のフレーム４２とは、二色成形により一体に成形して形成したものである。従って、ねじり棒バネ３０とフレーム４２とは、容易に分離することはない。また、ねじり棒バネ３０と基板６０とは、接着により固着する。
ねじり棒バネ３０は、以上の構成により、フレーム４２を含む可動子４０を基板６０に対して片持ち支持することができる。
【００２４】
ところで、可動子４０を片持ち支持する場合、１本の平板状のねじり棒バネで可動子を片持ち支持する構造では、ねじり棒バネのねじれと曲げの２つの振動モードがあるため、ミラーで反射された光が２次元方向（所望の走査ラインから外れる方向）にぶれる欠点がある。
【００２５】
しかし、ミラー駆動部４において、ねじり棒バネ３０は、図３に示した可動子４０の回転軸Ｒに垂直な方向の断面が、少なくとも、長手方向がミラーに平行な第１の方向である部分（Ｈ字の縦線に当たる部分）２箇所と、長手方向がミラーに垂直な第２の方向である部分（Ｈ字の横線に当たる部分）１箇所とを有するＨ字型の形状である。
従って、Ｈ字の縦線に当たる部分は、ミラー３の面に対して垂直な方向に比較して、平行な方向には撓みにくく、ミラー３の面に対して平行な方向への変形が規制される。また、Ｈ字の横線に当たる部分は、ミラー３の面に対して平行な方向に比較して、垂直な方向には撓みにくく、ミラー３の面に対して垂直な方向への変形が規制される。
【００２６】
このため、Ｈ字型の断面を有するねじり棒バネ３０全体では、回転方向であるねじれ方向の剛性は小さく、かつ、他の曲げ方向の剛性は大きくなり、ねじれ方向以外への変形を抑制することができる。これにより、ねじり棒バネ３０の中心に回転軸Ｒが形成され、コイル４５に通電することで、可動子４０は、回転軸Ｒを中心に、コイル４５と永久磁石４３との間に作用する力と、ねじり棒バネ３０のねじれにより生じるバネ力とが釣り合う位置まで回転する。また、可動子４０の回転方向は、コイル４５に流れる電流の向きに依存するので、コイル４５に、正負が所定の周期で逆転するパルス電圧を印加することで、可動子４０を、所定の回転角で往復回転駆動することができる。
【００２７】
一方、以上のねじり棒バネ３０は、全体として１本のバネであるため、複数の部品の位置合わせをする必要がなく、ミラー駆動部４の製造工程の工数も少ないものとすることができると共に、部品点数も削減することができる。
さらに、材質を樹脂とすることにより、成形で寸法誤差の少ない部品を容易に量産することができ、この点でも生産性の向上を図ることができる。
【００２８】
また、可動子４０を構成するフレーム４２も樹脂製としているため、ねじり棒バネ３０と可動子４０とを、二色成形により一体に成形することができ、このことにより、可動子４０とねじり棒バネ３０とを、寸法誤差を少なくかつ信頼性よく容易に固定することができる。フレーム４２とねじり棒バネ３０とを一体の部品と捉えることができるので、この点でも部品点数を削減することができる。
【００２９】
また、ミラー駆動部４を製造する際には、この二色成形した部品のフレーム４２にミラー３や永久磁石４３を接着等により固定した後で単にねじり棒バネ３０の部分を基板６０上に接着等により固定すればよいので、組み立て作業や他の部品との位置合わせを容易に行うことができる。
特に、バーコードリーダに適用する場合、フレーム４２のサイズは、１辺が１〜２ミリメートル程度とかなり小さいものとすることが要求されるため、このような小サイズの部品を効率よく量産するためには、以上の構成が大いに有用である。
【００３０】
〔実施例：図５乃至図８〕
次に、上述した実施形態におけるミラー駆動部４を構成する振動アクチュエータの具体的な実施例について、図５乃至図８を参照しながら説明する。
図５は、図４と対応する図であり、この実施例における振動アクチュエータの各部の寸法を示す。単位はミリメートルである。
また、ねじり棒バネ３０の材質は、ヤング率３．３９ＭＰａ（メガパスカル）のシリコンゴム（信越化学工業社製の信越シリコーン（商品名）ＫＥ−２０９５−６０）とし、フレーム４２の材質はポリカーボネートとした。
【００３１】
そして、振動アクチュエータのその他の各部の仕様は、以下の表１に示す通りとした。
【表１】
2012157802.tif 000003
【００３２】
発明者は、以上のような構成の振動アクチュエータにつき、三次元有限要素法電磁界解析ソフトMaxwellを用いて、三次元直交座標系で静磁界解析を行った。表２にその解析条件を示す。
【表２】
2012157802.tif 000004
【００３３】
解析の結果、回転角θは図５に示すｚ軸を基準とする右ねじの向きを正として、起磁力ＮＩ＝１７．６Ａ，回転角θ＝０ｄｅｇｒｅｅのとき、トルクＴ＝１６．７μＮ・ｍであった。また，ＮＩ＝１７．６Ａ，θ＝１３．５ｄｅｇｒｅｅのとき、トルクＴ＝１１．６μＮ・ｍであった。ＮＩ＝０Ａ，θ＝１３．５ｄｅｇｒｅｅのとき、トルクＴ＝−２．０４μＮ・ｍであるので、以下の数１を用いて磁気ばね定数Ｋｍｓを求めると８．６６μＮ・ｍ／ｒａｄであった。この磁気ばね定数Ｋｍｓは，振動アクチュエータの固有振動数を導出する際に使用する。
【００３４】
【数１】
2012157802.tif 000005
ただし、Ｔ：トルク（Ｎ・ｍ），θ：ミラーの回転角（ｒａｄ）
【００３５】
また、振動アクチュエータの起動する早さを調べるために、指標として機械的時定数Ｔｍを求める。機械的時定数Ｔｍおよびトルク定数ＫＴは以下の数２と数３より求めることができる。
【数２】
2012157802.tif 000006
ただし、Ｊ：慣性モーメント（ｋｇ・ｍ２），Ｒ：コイル抵抗（Ω），
Ｋｅ：逆起電力定数（Ｖ・ｓ／ｒａｄ），ＫＴ：トルク定数（Ｎ・ｍ／Ａ），
【数３】
2012157802.tif 000007
ただし、Ｉ：電流（Ａ）
【００３６】
また、トルク−電流特性は、θ＝０ｄｅｇｒｅｅ，Ｉ＝１６ｍＡにおいてトルクＴ＝１６．７μＮ・ｍであった。数３を用いたところ、トルク定数ＫＴ＝１．０４ｍＮ・ｍ／Ａとなった。逆起電力定数とトルク定数はＫｅ≒ＫＴとみなせるため，数２より機械的時定数はＴｍ＝１９２ｍｓとなった。
【００３７】
また、図５に示すｘ方向およびｙ方向に発生する振動アクチュエータの静推力−回転角特性は、以下の通りとなった。すなわち、ＮＩ＝１７．６Ａ，θ＝１３．５ｄｅｇｒｅｅのとき、ｘ方向の静推力Ｆｘ＝４．９ｍＮであった。振動アクチュエータが駆動していない状態であるＮＩ＝０Ａ，θ＝０ｄｅｇｒｅｅのときでは、ｙ方向の静推力として、吸引力Ｆｙ＝１９．５ｍＮが発生していた。また、ＮＩ＝１７．６Ａ，θ＝１３．５ｄｅｇｒｅｅのとき、Ｆｙ＝２１．５ｍＮであった。ここで求めた推力を、ねじり棒ばねの応力解析を行う際に利用する。
【００３８】
次に、表３に示す応力解析条件に基づき、Solidworks Simulationを用いて三次元直交座標系での静解析を行った。要素数は約１５万個とした。
【表３】
2012157802.tif 000008
【００３９】
図６に、（ａ）可動子４０と、（ｂ）そのねじり棒バネ３０部分の応力解析結果を示す。
永久磁石４３の中央部分にＦｘ＝１１ｍＮ，Ｆｙ＝２１．５ｍＮを印加したときに、ミラーの回転角はθ＝１３．５ｄｅｇｒｅｅとなる。ねじり棒バネ３０を構成するシリコンゴムに発生する最大応力はσｍ＝０．４９ＭＰａで、ねじり棒バネ３０の端部に発生した。シリコンゴムの降伏強さは４．２５ＭＰａであるために，安全率ＳはＳ＝８．７となり、実使用にも耐えられる耐久性を有している。
【００４０】
ここで，振動アクチュエータの運動方程式は数４となる。
【数４】
2012157802.tif 000009
ただし、Ｃ：減衰定数（Ｎ・ｍ・ｓ／ｒａｄ），Ｋ：ばね定数（Ｎ・ｍ／ｒａｄ）
【００４１】
数４より固有振動数ｆ０は下記数５となる。
【数５】
2012157802.tif 000010
ただし、Ｋθ：ねじり方向のばね定数（Ｎ・ｍ／ｒａｄ），
Ｋｍｓ：磁気ばね定数（Ｎ・ｍ／ｒａｄ）
【００４２】
以上の解析結果より，ねじり方向のばね定数Ｋθ＝１３５μＮ・ｍ／ｒａｄであり、数５を用いて固有振動数ｆ０を求めると４９．５Ｈｚであった。これは目標走査周波数５０±５Ｈｚの範囲内である。
【００４３】
また、図７に、ミラーの倒れ角度βと走査ラインの様子を示した。
倒れ角度βが大きい場合や、倒れ方向の固有振動数とねじり方向の固有振動数が近い値をとる場合には、直線状の走査ラインが照射されない。よって倒れ方向の特性を考慮する必要がある。
上記の解析結果より倒れ角度を求めると、β＝０．２１ｄｅｇｒｅｅとなった。この値であれば、実使用の際を想定した走査原点から１５０ｍｍの距離での走査ラインの曲がりは１ｍｍであり、使用時には問題のない値となった。
【００４４】
また、倒れ方向の固有振動数ｆβを、数６と数７を用いて求める。
【数６】
2012157802.tif 000011
ただし、Ｋβ：倒れ方向のばね定数（Ｎ・ｍ／ｒａｄ），
Ｊβ：倒れ方向の慣性モーメント（ｋｇ・ｍ２）
【数７】
2012157802.tif 000012
ただし、β：ミラーの倒れ角度
【００４５】
解析結果より求めた，倒れ方向の慣性モーメントＪβ＝２．１３ｇ・ｍｍ２、ミラーの倒れ角度β＝０．２１ｄｅｇｒｅｅ、及び倒れ方向のばね定数Ｋβ＝１３．２ｍＮ・ｍ／ｒａｄを用いて倒れ方向の固有振動数ｆβを算出すると３９６Ｈｚであった。振動アクチュエータのねじり方向の固有振動数ｆ０は４９．５Ｈｚであるので、両固有振動数は８倍程度離れた値をとっているため駆動の際には問題のない結果となった。
【００４６】
次に、図８に振動アクチュエータのブロック線図を示す。
図８のブロック線図を用いて解析ソフトMatlab Simulinkで解析を行い、本アクチュエータが目標回転角で駆動することを確認した。また、目標回転角に達するまでの時間を求めた。なお、駆動の際には、矩形波の駆動電圧Ｖ＝２．２Ｖを逆起電力が０Ｖのときに印加するようにした。最初に印加する電圧は、起動を早くさせるためにパルス幅の大きい電圧を印加した。
解析の結果、この条件で、振動アクチュエータは回転角をθ＝±１３．５ｄｅｇｒｅｅとさせることが可能であった。また，目標回転角θ＝１３．５ｄｅｇｒｅｅとなるまでに要する時間は３６．９ｍｓであり，光スキャナを搭載した携帯端末をすばやく起動させることができる。
【００４７】
〔変形例：図９乃至図１４〕
次に、上述した実施形態の変形例について説明する。
まず、ねじり棒バネ３０の形状について、上述した実施形態では、可動子４０の回転軸Ｒに垂直な方向の断面がＨ字型である例について説明した。しかしながら、ねじり棒バネ３０の断面形状は、これに限られない。可動子４０の回転軸Ｒに垂直な方向の断面が、少なくとも、長手方向が第１の方向である第１の部分と、長手方向がその第１の方向と平行でない第２の方向である第２の部分とを有する形状であれば、上述した実施形態の場合と同様、コイル４５への通電により、基板６０に垂直な回転軸Ｒ（位置はねじり棒バネ３０の形状によって異なる）を中心に、可動子４０を回転させることができる。
【００４８】
これは、上記のような第１の部分と第２の部分とを備えることにより、ねじり棒バネ３０を、第１の部分では第１の方向に撓みにくく、第２の部分では第１の方向と異なる第２の方向に撓みにくい性質とすることができるので、全体として、ねじり棒バネ３０を、回転方向であるねじれ方向の剛性は小さく、かつ、他の曲げ方向の剛性は大きいものとし、ねじれ方向以外への変形を抑制することができるためである。
【００４９】
図９乃至図１３に、このような条件を満たすねじり棒バネの形状の例を示す。これらの図は、図４（ｂ）と対応する図面で、これらの図に表われるねじり棒バネの断面形状のみを変形したものである。これらの図において、３０Ａ〜３０Ｅがそれぞれねじり棒バネを示し、これらの符号に添え字１〜３を付けて示す部分が、各ねじり棒バネにおける第１〜第３の部分を示す。
【００５０】
図９（Ｔ字型）及び図１０（十字型）は、第１の方向（第１の部分の長手方向）と第２の方向（第２の部分の長手方向）とが互いに垂直な例である。このような構成であると、ねじれ方向の剛性に比べて他の曲げ方向の剛性を大きくし易く、好ましい特性のねじり棒バネが得られ易い。
しかし、これに限られることはなく、図１１に示すように、第１の方向と第２の方向とは垂直でなくてよい。また、第１の部分３０Ｃ１と第２の部分３０Ｃ２とが端部で結合していてもよい。
【００５１】
また、図１２（Ｙ字型）及び図１３（中空三角柱型）に示すように、長手方向が第１の方向とも第２の方向とも平行でない第３の方向である第３の部分をも有するようにしてもよい。このような構成であっても、第３の部分では第１の方向とも第２の方向とも異なる第３の方向に撓みにくい性質とすることができるので、全体として、ねじり棒バネ３０を、回転方向であるねじれ方向の剛性は小さく、かつ、他の曲げ方向の剛性は大きいものとし、ねじれ方向以外への変形を抑制することができるためである。
ねじり棒バネ３０の形状については、図９乃至図１３に示した形状以外にも、さらに種々のバリエーションが考えられる。
【００５２】
また、別の変形として、ねじり棒バネ３０と基板６０とをより信頼性よく固定するため、ねじり棒バネ３０の基板６０側の端部に、可動子４０の回転軸Ｒに垂直な方向の断面積がねじり棒バネ３０より大きい部材を、ねじり棒バネ３０と一体に設けることが考えられる。
図１４に、このような部材を設けた例を示す。図１４は、図４（ｄ）と対応する図である。
上記の断面積が大きい部材は、図１４に、符号３１で示されるものであり、例えば、フレーム４２とねじり棒バネ３０とを二色成形する際に、フレーム４２と同じ材質により、フレーム４２と同時に形成することが考えられる。
【００５３】
そして、この部材３１と基板６０とを接着等により固定することにより、接触面積を大きく取ることができるため、信頼性のよい固定が可能となる。また、ねじり棒バネ３０と部材３１との間との間も、二色成形により信頼性よく固定できる。従って、全体として、ねじり棒バネ３０と基板６０とを、信頼性よく固定できる。
【００５４】
なお、部材３１に当たる部分を、ねじり棒バネ３０と同じ材質で形成することも可能である。しかしこの場合、部材３１も弾性を有することになるため、ねじり棒バネ３０と部材３１との境界で急激に断面積が広がると、その部分に応力が集中し、破損し易くなることが考えられる。従ってこの場合、ねじり棒バネ３０のうち基板６０に近い部分について、徐々に断面積を増す構成とすることが好ましい。
【００５５】
また、さらに他の変形として、二色成形と比べて信頼性は低下するが、ねじり棒バネ３０とフレーム４２との固定を、接着や嵌合によって行うことも考えられる。この場合、フレーム４２を金属等で形成することも可能である。また、ねじり棒バネ３０の材質も、弾性体であれば、樹脂には限られない。製造の工数は増すが、金属薄板を折り曲げや接合により所望の形状に加工したものを用いることも妨げられない。また、ねじり棒バネ３０にフレーム４２を貫通させることも必須ではなく、ねじり棒バネ３０をフレーム４２の下面に固定するようにしてもよい。
【００５６】
また、この発明の振動アクチュエータは、光走査装置や光学的情報読取装置以外の装置に組み込むアクチュエータとして構成することも可能である。また、この発明の振動アクチュエータの製造方法も、同様に光走査装置や光学的情報読取装置以外の装置に組み込むアクチュエータを製造する場合にも適用可能である。
また、この発明の光走査装置を、光学的情報読取装置以外の装置に組み込む装置として構成することも可能である。
【００５７】
また、この発明の光学的情報読取り装置を、バーコード以外のコード記号により示される情報を読み取る装置として構成することも可能である。さらに、据え置き型の装置としても、手持ち型の装置としても、構成することができる。
また、以上述べてきた実施形態及び変形例の構成は、矛盾しない範囲で適宜組み合わせて適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
この発明による振動アクチュエータ、光走査装置、光学的情報読取装置、および振動アクチュエータの製造方法によれば、可動子を所定の回転角で往復回転運動させる振動アクチュエータ及び、これを用いた光走査装置及び光学的情報読取装置において、小型化と生産性とを両立させることができる。
従って、この発明を適用することにより、振動アクチュエータ、光走査装置及び光学的情報読取装置の小型化や製造コストの低減を図ることができる。
【符号の説明】
【００５９】
１…バーコードリーダ、２…発光部、３…ミラー、４…ミラー駆動部、５…受光部、１０…光学モジュール、１１…操作部、１２…表示部、２０…光源、２１…レンズ、２２…アパーチャ、３０…ねじり棒バネ、３１…部材、４０…可動子、４１…ステータ、４２…フレーム、４３…永久磁石、４５…コイル、４６…ヨーク、４７…配線、５０…反射ミラー、５１…フォトダイオード、６０…基板
【図１】
2012157802.tif 000013
【図２】
2012157802.tif 000014
【図３】
2012157802.tif 000015
【図４】
2012157802.tif 000016
【図５】
2012157802.tif 000017
【図７】
2012157802.tif 000018
【図８】
2012157802.tif 000019
【図９】
2012157802.tif 000020
【図１０】
2012157802.tif 000021
【図１１】
2012157802.tif 000022
【図１２】
2012157802.tif 000023
【図１３】
2012157802.tif 000024
【図１４】
2012157802.tif 000025
【図６】
2012157802.tif 000026