JP2007078819A - 光スキャナ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 可動部の周波数を自由に変更することで、可動部を一定の回転角速度で可動させ、副走査方向における分解能が均一となる光スキャナ素子を得る。
【解決手段】 弾性変位可能に支持され双方向に変位する可動部４５を備え、この可動部４５が変調機能を有する光スキャナ素子１００であって、可動部４５へ物理的作用力を加える駆動源を複数有し、この駆動源により可動部４５を第１の方向へ変位駆動させるに際し、可動部４５が第１の方向に遷移している間に、駆動源により可動部４５に対し第１の方向若しくは第１の方向と異なる第２の方向にさらに物理的作用力が加えられ、この動作を繰り返すことで可動部４５が一定の回転角速度で可動するよう構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、バーコード等に光を照射し、その反射光の強弱を光電変換することで、その検出信号の組み合わせから情報を読み取る光スキャナ素子に関する。

店舗や工場等の多くでは、デジタル情報を表すバーコード等を物品に付し、これを光学的に走査して情報を読み取る光スキャナが用いられる。一般的に、光スキャナは、発光素子から出射した光線を被照射対象に走査するとともに、被照射対象からの戻り光を反射させて受光素子に入射させる可動部（例えばミラー）を有する。この種の光スキャナは、発光素子からの光をミラーで反射し、バーコード等に照射する。バーコード等の全域に亘って光を照射するため、ミラーを揺動させる。一方、バーコード面に照射された光は、乱反射しながらもバーコードの白黒による光量変化をもって再びミラーに戻り、そこで反射された光は受光素子により光量変化を電気的に変換して出力する。

また、特許文献１に開示される光スキャナは、図１２、図１３に示すように、ミラー１を支持するねじり支持部３が、ねじり支持部３を互いに挟むように配列された支持部５ａ、５ｂの上端と一体に連結されている。このように構成された光スキャナ７では、固定部材９ａ、９ｂの支持部５ａ、５ｂとの連結端が、図中縦方向に互いに相反する向きに変位することにより、支持部５ａ、５ｂが傾斜する。そして、支持部５ａ、５ｂの上端に連結されたねじり支持部３の上端は、てこの原理によって、大きく傾斜するため、ねじり支持部３に支持されたミラー１に大きな傾きを与えることができる。即ち、共振を用いずとも、大きな走査範囲を確保できるようにしている。なお、図中、１１は可動部、１３は軸状部材、１５はベース部材である。

さらに、特許文献２に開示されるガルバノミラー装置１７は、図１４、図１５に示すように、内部空間１９を有する固定部２１と、この固定部２１に対してトーションバー部２３ａ、２３ｂを介して内部空間内１９において回動可能に支持された可動部２５と、可動部２５の一面２５ａに形成されたミラー部２７と、可動部２５の一面２５ａ及び他面（図示せず）にそれぞれ設けられた第１電極２９、第２電極（図示せず）と、固定部２１における第１電極２９及び第２電極部に対向する第３及び第４電極部３１ａ、３１ｂ、３３ａ、３３ｂとを備え、第１電極部２９と第３電極部３１ａ、３１ｂとの間及び第２電極部と第４電極部３３ａ、３３ｂとの間の少なくとも一方に電位差を与えたときの静電気力により可動部２５を回動させるように構成され、可動部２５の一面２５ａにおける一部の領域を、第１電極部２９とミラー部２７とで共用することにより、小型化の要請に応えながら、低電圧駆動を可能としている。なお、図中、３５は第２部材、３７は枠部、３９は第３部材である。

特開２００４−２９４２５号公報 特開２００１−２９００９９号公報

ところで、光スキャナは、共振によって可動部であるミラーを揺動すると、ミラーの傾きが変位する速度（角速度）は正弦波状に変化する。このため、２次元走査の１つであるラスタ走査を行うと、副走査方向におけるレーザー光線の走査の軌跡が、副走査方向の両端部では間隔が狭く、密となる一方、副操作方向の中心部分では間隔が広く、疎になってしまうため、副走査方向の中心部における分解能が低下するという問題点があった。そして、従来の光スキャナでは、一般的に可動部の共振を利用して走査範囲を大きくするため、スキャニング周期が素子によって決まってしまっており、スキャニング周波数を自由に変化させることができなかった。
また、特許文献１に開示される光スキャナでは、てこの原理によってミラー部の大きな傾斜を可能とし、共振を用いずとも大きな走査範囲を確保できるようにしているが、構造が複雑であるため、素子の微細化には向かない。また、構造が大きいため、高速動作にも限界があった。
さらに、特許文献２に開示されるガルバノミラー装置では、可軸部のミラー部の一部を電極とし、駆動の低電圧化を図っているが、可動部の共振周波数でしか可動せず、用途が限定された。また、可動部の位置を検出するのにフィードバック回路を必要としており、素子の複雑化は避けられず、微細化にも不向きであった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、第１の目的は、可動部の周波数を自由に変更することで、可動部を一定の回転角速度で可動させ、副走査方向における分解能を均一にすることができる光スキャナ素子を得ることにある。第２の目的は、素子構造を簡素にして、微細化を可能にすることにある。第３の目的は、スキャニングの高速化を可能にすることにある。第４の目的は、可動部の方向転換時における振動を減少させることにある。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 弾性変位可能に支持され双方向に変位する可動部を備え、該可動部が変調機能を有する光スキャナ素子であって、前記可動部へ物理的作用力を加える駆動源を複数有し、該駆動源により前記可動部を第１の方向へ変位駆動させるに際し、該可動部が前記第１の方向に遷移している間に、前記駆動源により前記可動部に対し前記第１の方向若しくは前記第１の方向と異なる第２の方向にさらに物理的作用力が加えられ、この動作を繰り返すことで前記可動部が一定の回転角速度で可動することを特徴とする光スキャナ素子。

この光スキャナ素子では、可動部が一定の回転角速度で可動され、副走査方向におけるレーザー光線の走査軌跡が任意の位置で等速となる。そして、可動部４５を駆動させる為に可動部４５に作用させる物理的作用力がさらに加えられることで、可動部を強制振動させることが可能となり、駆動のための振動が共振周波数に限定されなくなる。また、ガルバノミラーを用いる構成のように可動部の位置検出のための複雑な手段を必要としないので、素子構造が簡素となる。さらに、フィードバック回路等を増設する必要がないので、可動部を大きくする必要がなくなる。これに加え、可動部に対し第１の方向若しくは第２の方向にさらに物理的作用力が加えられて、可動部の動きが強制制御されるので、可動部の方向転換時における振動が減少される。

（２） 弾性変位可能に支持され双方向に変位する可動部を備え、該可動部が変調機能を有する光スキャナ素子であって、前記可動部へ物理的作用力を加える駆動源を複数有し、該駆動源により前記可動部を第１の方向へ変位駆動させるに際し、該可動部が前記第１の方向に遷移している間に、前記駆動源により前記可動部に対し前記第１の方向若しくは前記第１の方向と異なる第２の方向にさらに物理的作用力が加えられ、この動作を繰り返すことで前記可動部が備える共振周波数より速い周波数で可動することを特徴とする光スキャナ素子。

この光スキャナ素子では、可動部が備える共振周波数より速い周波数で、可動部が可動され、スキャニングの高速化が可能となる。

（３） 弾性変位可能に支持され双方向に変位する可動部を備え、該可動部が変調機能を有する光スキャナ素子であって、前記可動部へ物理的作用力を加える駆動源を複数有し、該駆動源により前記可動部を第１の方向へ変位駆動させるに際し、該可動部が前記第１の方向に遷移している間に、前記駆動源により前記可動部に対し前記第１の方向若しくは前記第１の方向と異なる第２の方向にさらに物理的作用力が加えられ、この動作を繰り返すことで前記可動部が備える共振周波数より遅い周波数で可動することを特徴とする光スキャナ素子。

この光スキャナ素子では、可動部が備える共振周波数より遅い周波数で、可動部が可動され、副走査方向におけるレーザー光線の走査軌跡において、検出密度が密となり、スキャンデータ検出の分解能が高められる。

（４） 前記物理的作用力が、前記可動部の複数の作用点に加えられることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項記載の光スキャナ素子。

この光スキャナ素子では、作用点が複数となることで、例えば中央が回転中心となる揺動型の可動部において、回転中心を挟む両側に物理的作用力が加えられるようになる。これにより、それぞれの作用点に、異なる大きさの物理的作用力を、異なるタイミングで加えられるようになり、多様な変位作用が得られるようになる。

（５） 前記駆動源により前記可動部を前記第１の方向及び前記第２の方向へ変位させる物理的作用力が、静電気力であることを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項記載の光スキャナ素子。

この光スキャナ素子では、可動部を変位させる物理的作用力が静電気力となることで、高速な変位作用が得られる。

（６） 前記物理的作用力が、縦軸を強度、横軸を時間としたパルス波形様に印加されることを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１項記載の光スキャナ素子。

この光スキャナ素子では、物理的作用力が、パルス波形によって特定される電圧範囲で発生され、多様な変位作用が得られるようになる。なお、ここでのパルス波形とは、矩形波、正弦波、余弦波、鋸波、三角波、及びこれらの合成波を含む。

（７） 前記物理的作用力が、複数のパルス波形によって印加されることを特徴とする（６）記載の光スキャナ素子。

この光スキャナ素子では、物理的作用力が、異なる大きさ、異なるタイミングで加えられるようになり、多様な変位作用が得られるようになる。

（８） 前記可動部のそれぞれの遷移方向に対して２つ以上の前記物理的作用力が設定可能に構成されたことを特徴とする（１）〜（７）のいずれか１項記載の光スキャナ素子。

この光スキャナ素子では、例えば片持ち梁型の可動部において、揺動先端部を揺動方向で挟む両側のそれぞれに２つ以上の物理的作用力が加えられるようになる。これにより、可動部に対し、基本的な変位を行わせるための物理的作用力と、例えば可動部を一定の回転角速度で可動させるために助勢力として加える物理的作用力とが別々に印加可能となり、可動部の駆動制御回路が簡素に構成可能となる。

（９） 前記可動部の位置を検出する検出部を備え、該検出部によって前記可動部の位置を検出し、該検出位置に基づき前記可動部に対し物理的作用力が加えられることを特徴とする（１）〜（８）のいずれか１項記載の光スキャナ素子。

この光スキャナ素子では、可動中の位置が、検出部である例えば電極間静電容量検出部によって検出され、可動部が所定位置に達した際の高精度な駆動電圧の印加が可能となる。これにより、可動部を変位制御させるための物理的作用力（助勢力）が高精度のタイミングで加えられるようになる。

（１０） 前記光スキャナ素子がメモリ回路を含む駆動回路を有し、前記可動部と該可動部に対峙する少なくとも２つ以上の固定部とに設けられた電極のうち、一方が前記駆動回路からの素子変位信号の入力される信号電極であり、他方が一定電圧が印加される固定電位電極であることを特徴とする（１）〜（９）のいずれか１項記載の光スキャナ素子。

この光スキャナ素子では、メモリ回路が備えられることで、このメモリ回路に対して予め素子変位信号の書き込みが可能となる。そして、固定電位電極に一定の電圧が印加されると同時に、信号電極に、予めメモリ回路に書き込んでおいた素子変位信号が印加されることで、光スキャナ素子が高速にアクティブ駆動可能となる。

本発明に係る光スキャナ素子によれば、弾性変位可能に支持されて双方向に変位する可動部を備え、この可動部を変位駆動させるに際し、可動部に対し第１の方向若しくは第２の方向にさらに物理的作用力を加え、この動作を繰り返すことで可動部を一定の回転角速度で可動させるので、副走査方向におけるレーザー光線の走査軌跡が任意の位置で等速となり、副走査方向における分解能を均一にすることができる。そして、物理的作用力をさらに加えるので、可動部の周波数を自由に変更することができ、共振周波数に限らず、任意な周波数でスキャニングができる。これにより、周波数選択の自由度を高めることができる。また、ガルバノミラーを用いる構成のように可動部の位置検出のための複雑な手段を必要としないので、素子構造を簡素にして、微細化を可能にできる。さらに、可動部を大きくする必要がないので、スキャニングの高速化が可能となる。これに加え、可動部に対し第１の方向若しくは第２の方向にさらに物理的作用力を加えて、可動部の動きを強制制御するので、可動部の方向転換時における振動を減少させることができ、この振動減少効果によっても、角速度を均一化し、スキャニングを高速化できる。

以下、本発明に係る光スキャナ素子の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る光スキャナ素子の平面視を（ａ）、断面視を（ｂ）に表した構成説明図、図２は図１に示した光スキャナ素子の給電構成を表した断面図、図３は図１に示した光スキャナ素子の基本動作説明図、図４は助勢駆動電圧が印加されることで共振周波数以外の周波数で変位可動される図１に示した光スキャナ素子の動作を説明するグラフ、図５は駆動電圧が重畳された変形例の動作説明図である。
この実施の形態に係る光スキャナ素子１００は、基本的な駆動のための構造要素として、基板４１と、基板４１に空隙４３を介して平行に配置される小片状の可動部４５と、可動部４５の両縁部から延出される支持部であるヒンジ４７、４７と、このヒンジ４７、４７が固定される枠体４９と、枠体４９を介して可動部４５を基板４１に支持するスペーサ５１とを備える。このような構成により、可動部４５は、ヒンジ４７、４７の捩れによって弾性変位可能に支持され、双方向（図１（ｂ）の時計回り方向及び反時計回り方向）に回転変位が可能となっている。

光スキャナ素子１００は、可動部４５の上面が光反射部（ミラー部）となる。この他、本発明に係る光スキャナ素子は、可動部４５の材質を適宜選択し、或いは短絡接点等を付設することにより、音波、流体、熱線のスイッチング、或いはＲＦ信号のスイッチングも可能にできる。

可動部４５は、変位の最終位置に到達するに際し、基板４１や図示しない停止部材に接触して停止する接触型、或いは変位の最終位置に到達するに際し、基板４１等に接触しない非接触型の何れであってもよい。

基板４１の上面には、ヒンジ４７、４７を中央として両側に固定側電極である第１駆動電極５３ａと第２駆動電極５３ｂが設けられる。また、可動部４５にもその一部に可動側電極５３ｃが設けられている。光スキャナ素子１００には基板４１中に後述する駆動回路が設けられ、駆動回路は可動側電極５３ｃと第１駆動電極５３ａとの間、可動側電極５３ｃと第２駆動電極５３ｂとの間に電圧を印加する。光スキャナ素子１００は、基本動作として、第１駆動電極５３ａ、第２駆動電極５３ｂ、可動側電極５３ｃへ電圧を印加することによって、ヒンジ４７、４７を捩り中心として可動部４５を揺動変位させる。つまり、可動部４５がミラー部であることにより、光の反射方向がスイッチングされる。これにより、不図示の発光素子から出射した光線を被照射対象（バーコード等）に走査するとともに、被照射対象からの戻り光を反射させて不図示の受光素子に入射可能としている。

光スキャナ素子１００では、可動側電極５３ｃに対し、第１駆動電極５３ａ、第２駆動電極５３ｂに電位差を与えると、それぞれの電極と、可動側電極５３ｃとの間に静電気力が発生し、ヒンジ４７、４７を中心に回転トルクが働く。この際に発生する静電気力は、周囲雰囲気の誘電率、可動側電極５３ｃの面積、印加電圧、可動側電極５３ｃと、第１駆動電極５３ａ及び第２駆動電極５３ｂとの間隔に依存する。

したがって、周囲雰囲気の誘電率、可動側電極５３ｃの面積、可動側電極５３ｃと駆動電極の間隔、ヒンジ４７、４７の弾性係数が一定である場合、可動部４５は、それぞれの電極の電位を制御することにより、左右に回転変位可能となる。例えば、図２に示す印加電圧Ｖ１、Ｖ２が、Ｖ１＞Ｖ２のときには、第１駆動電極５３ａと可動側電極５３ｃに発生する静電気力が、第２駆動電極５３ｂと可動側電極５３ｃに発生する静電気力より大きくなり、可動部４５が左側に傾く。逆に、Ｖ１＜Ｖ２のときは、第２駆動電極５３ｂと可動側電極５３ｃに発生する静電気力が、第１駆動電極５３ａと可動側電極５３ｃに発生する静電気力より大きくなり、可動部４５が右側に傾く。

このように、可動部４５の可動側電極５３ｃ、第１駆動電極５３ａ、第２駆動電極５３ｂは、可動部４５を回転変位させる駆動源となっている。このような駆動源から可動部４５へ加えられる物理的作用力が、静電気力となることで、高速な回転変位が可能となっている。

なお、可動部４５を駆動させる為に可動部４５に作用させる物理的作用力は、静電気力以外の物理的作用力であってもよい。その他の物理的作用力としては、例えば、圧電体による効果や電磁力を挙げることができる。この場合、駆動源としては、圧電素子を用いた圧電型アクチュエータや、マグネット・コイルを用いた電磁型アクチュエータが採用される。

このように、光スキャナ素子１００は、双方向に変位する可動部４５を備え、この可動部４５がスイッチング機能を有する。可動部４５は、物理的作用力を加える複数の駆動源（可動部４５の可動側電極５３ｃ、第１駆動電極５３ａ、第２駆動電極５３ｂ）によって回転変位される。本実施の形態による光スキャナ素子１００は、物理的作用力として静電気力が作用する。この静電気力が可動部４５を、重力、ヒンジ４７、４７の弾性力に抗して基板４１側へと引き付ける。接触型の場合、このようにして静電気力によって可動部４５が揺動変位し、揺動先端が基板４１へと吸着される（張り付く）状態をプルイン（ｐｕｌｌ−ｉｎ）と称す。すなわち、可動部４５は、可動側電極５３ｃ、第１駆動電極５３ａ、第２駆動電極５３ｂに印加される変位制御信号がプルイン電圧に達して発生する静電気力で変位される。

変位制御信号は、プルイン電圧に達する前は、アナログ制御領域と言われ、２値では制御されない。すなわち、無段階的なアナログ制御が可能な領域となる。

ところで、本実施の形態による光スキャナ素子１００は、駆動源により可動部４５を第１の方向へ変位駆動させるに際し、可動部４５が第１の方向（図２の反時計回り方向）に遷移している間に、駆動源により可動部４５に対し第１の方向若しくは第１の方向と異なる第２の方向（図２の時計回り方向）にさらに物理的作用力（助勢力）が加えられる構成を有している。この動作を繰り返すことで可動部４５は、一定の回転角速度で可動するよう構成されている。助勢力は、上記したプルイン電圧に達する前のアナログ制御領域で加えられる。

すなわち、図３（ａ）に示すように、例えば可動部４５が左傾斜される場合、可動部４５が変位の最終位置（この例では第１駆動電極５３ａ側）に到達する前のタイミングで、第１駆動電極５３ａにＶａが印加される。なお、平衡状態の可動部４５には、図４のＶ１の駆動電圧グラフに示すように、先ずＶａが印加される。このＶａが印加されることにより、第１駆動電極５３ａに接近変位していた可動部４５は、Ｖａによる助勢力が作用し、本来減速される回転速度が一定となる。

また、回転速度が一定のまま変位の最終位置に到達した可動部４５は、一旦速度がゼロとなって停止される。この停止は、第１駆動電極５３ａへの印加電圧の停止、及び第２駆動電極５３ｂへの停止制御電圧の印加等によって行われる。可動部４５は、変位の最終位置で停止した後、今度は時計回りへ回転されることとなる。この際、第２駆動電極５３ｂには図３（ｂ）に示すように、Ｖａより大きなＶｂが印加され、図３（ｃ）に示すように、時計回りの回転が開始される。ＶａよりＶｂが大きいのは、電極間距離が大きいためである。このＶｂが印加されることにより、本来第１駆動電極５３ａから徐々に離反しようとしていた可動部４５は、Ｖｂによる助勢力が作用して加速され、回転速度が略一定となる。以上の動作が繰り返されることとなる。したがって、図４の回転角度グラフに示すように、可動部４５の振動周期は、正弦カーブの頂上部・谷部が、共振周波数で振動される場合に比べ急峻となる。

また、本実施の形態では、物理的作用力が、可動部４５の複数の作用点（すなわち、第１駆動電極５３ａと第２駆動電極５３ｂ）に加えられるように構成されている。このように、作用点が複数となることで、例えば中央が回転中心となる本実施の形態のような揺動型の可動部４５において、回転中心を挟む両側に物理的作用力が加えられるようになる。これにより、それぞれの作用点に、異なる大きさの物理的作用力を、異なるタイミングで加えられるようになり、多様な変位作用（助勢力）が得られるようになる。

また、本実施の形態では、物理的作用力が、縦軸を強度、横軸を時間としたパルス波形様に印加される。これにより、物理的作用力が、パルス波形によって特定される電圧範囲で発生され、多様な変位作用（助勢力）が得られるようになる。なお、ここでのパルス波形とは、矩形波、正弦波、余弦波、鋸波、三角波、及びこれらの合成波を含む。

さらに、物理的作用力が、複数のパルス波形によって印加される。これによっても、物理的作用力が、異なる大きさ、異なるタイミングで加えられるようになり、多様な変位作用（助勢力）が得られるようになっている。

このように、本実施の形態による光スキャナ素子１００では、可動部４５が一定の回転角速度で可動され、副走査方向におけるレーザー光線の走査軌跡が任意の位置で等速となる。そして、物理的作用力がさらに加えられることで、可動部４５を強制振動させることが可能となり、駆動のための振動が共振周波数に限定されなくなる。また、ガルバノミラーを用いる構成のように可動部４５の位置検出のための複雑な手段を必要としないので、素子構造が簡素となる。さらに、フィードバック回路等を増設する必要がないので、可動部４５を大きくする必要がなくなる。これに加え、可動部４５に対し第１の方向若しくは第２の方向にさらに物理的作用力が加えられて、可動部４５の動きが強制制御されるので、可動部４５の方向転換時における振動が減少されることとなる。

したがって、この光スキャナ素子１００によれば、副走査方向における分解能を均一にすることができる。そして、可動部４５の周波数を自由に変更することができ、共振周波数に限らず、任意な周波数でスキャニングができる。これにより、周波数選択の自由度を高めることができる。また、素子構造を簡素にして、微細化を可能にできる。さらに、可動部４５を大きくする必要がないので、スキャニングの高速化が可能となる。これに加え、可動部４５の方向転換時における振動を減少させることができ、この振動減少効果によっても、角速度を均一化し、スキャニングを高速化できる。

なお、上記した第１の実施の形態による光スキャナ素子１００は、可動部４５が最終位置に到達したときに、この可動部４５に対してＶａを印加する構成を説明したが、この光スキャナ素子ではその変形例として、図５に示すように、副走査方向の中心部分で（すなわち、Ｖａ、Ｖｂの印加タイミングの間で）変位可動を持続させるための電圧Ｖｃを印加してもよい。このような変形例によれば、可動部４５の回転角速度をより安定化することができる。

次に、本発明に係る光スキャナ素子の第２の実施の形態を説明する。
図６は助勢駆動電圧が印加されることで共振周波数より速い周波数で変位可動される第２の実施の形態に係る光スキャナ素子の動作を説明するグラフである。なお、以下の各実施の形態において、図１〜図５において示した構成と同一の構成には同一の符号を付して説明し、重複する説明は省略するものとする。
この実施の形態による光スキャナ素子は、可動部４５が備える共振周波数より、可動部４５が速い周波数で可動される。すなわち、可動部４５が共振周波数においての一方の最終位置（＋θ₀）に到達するタイミングより短いタイミングで、第１駆動電極５３ａにＶａが印加される。また、回転速度が一定のまま他方の最終位置（−θ₀）に到達した可動部４５は、最終位置への到達と同時に第２駆動電極５３ｂにＶｂが印加されることで一旦速度がゼロとなって停止される。このＶａとＶｂとは、所定のタイミングで交互に印加される。この場合も、可動部４５の振動周期は、正弦カーブの頂上部・谷部が、共振周波数で振動される場合に比べ急峻となる。

したがって、この光スキャナ素子によれば、可動部４５が備える共振周波数より速い周波数で、可動部４５が可動され、スキャニングの高速化が可能となる。

なお、本実施の形態では、可動部４５が共振周波数より速い周波数で可動される場合を例に説明したが、本発明に係る光スキャナ素子は、本実施の形態とは逆に、共振周波数より遅い周波数で可動部４５を可動することもできる。
この変形例によれば、可動部４５が共振周波数より遅い周波数で可動されることで、副走査方向におけるレーザー光線の走査軌跡において、検出密度が密となり、スキャンデータ検出の分解能を高めることが可能となる。
このように、光スキャナ素子では、パルスの周波数を変えることで、振動の周期を可動部４５の共振周波数より早くも遅くも変えることができる。
また、可動部４５の振動周期は、可動部４５の振動中に変更されるものであってもよい。

次に、本発明に係る光スキャナ素子の第３の実施の形態を説明する。
図７は検出部を備えた第３の実施の形態に係る光スキャナ素子の断面図、図８は可動部の位置検出タイミングと助勢駆動電圧の印加タイミングとの相関を表した第３の実施の形態に係る光スキャナ素子の動作を説明するグラフである。
この実施の形態による光スキャナ素子１００Ｃは、可動部４５の位置を検出する検出部である例えば電極間静電容量検出部（電流計）５５ａ、５５ｂを備えている。この光スキャナ素子１００Ｃでは、図８に示した矢印６１のタイミングで可動部４５の規定の角度が電極間静電容量によって検出され、その規定角度に達した瞬間に逆方向の電圧が印加される。つまり、電流計５５ａ、５５ｂによって可動部４５の位置を検出し、この検出位置に基づき可動部４５に対し物理的作用力が加えられるようになっている。この例では、正弦カーブの頂上部領域６３ａで駆動電圧Ｖｂが印加され、正弦カーブの谷部領域６３ｂで駆動電圧Ｖａが印加される。

したがって、この光スキャナ素子１００Ｃによれば、可動部４５の位置が、電流計５５ａ、５５ｂによって検出され、可動部４５が所定位置に達した際の高精度な駆動電圧の印加が可能となる。これにより、可動部４５を変位制御させるための物理的作用力（助勢力）が高精度のタイミングで加えられるようになる。

次に、本発明に係る光スキャナ素子の第４の実施の形態を説明する。
図９は２軸にて揺動される可動部を備えた第４の実施の形態に係る３次元光スキャナ素子を平面視（ａ）、断面視（ｂ），（ｃ）で表した斜視図である。
本発明に係る光スキャナ素子は、図１に示したヒンジ４７、４７を捩れ中心とする基本的な１軸の２次元光スキャナ素子１００の他、図９に示すヒンジ４７ａ、４７ａ、ヒンジ４７ｂ、４７ｂを捩れ中心とする２軸の３次元光スキャナ素子１００Ｄであってもよい。

この場合、３次元光スキャナ素子１００Ｄは、第１駆動電極５３ａと第２駆動電極５３ｂに加え、第３駆動電極５３ｄと第４駆動電極５３ｅが設けられることになる。そして、第１駆動電極５３ａ、第２駆動電極５３ｂと、可動側電極５３ｃとへの電圧印加によって可動部４５がヒンジ４７ａ、４７ａを回動中心としたＸ方向に駆動され、第３駆動電極５３ｄ、第４駆動電極５３ｅと、可動側電極５３ｃとへの電圧印加によって可動部４５がヒンジ４７ｂ、４７ｂを回動中心としたＹ方向に駆動される。なお、図中、６７はヒンジ４７ａ、４７ａを支持する枠体、６９はヒンジ４７ｂ、４７ｂを支持する枠体を示す。

したがって、このような３次元光スキャナ素子１００Ｄの場合においても、可動部４５が一定の回転角速度で可動され、副走査方向におけるレーザー光線の走査軌跡が任意の位置で等速となる。そして、物理的作用力がさらに加えられることで、可動部４５を強制振動させることが可能となり、駆動のための振動が共振周波数に限定されなくなり、可動部４５の周波数を自由に変更することができ、任意な周波数でスキャニングができる。これに加え、可動部４５の方向転換時における振動を減少させることができる。

次に、本発明に係る光スキャナ素子の第５の実施の形態を説明する。
図１０は電磁駆動される本発明の第５の実施の形態に係る光スキャナ素子を表す斜視図である。
この実施の形態による光スキャナ素子１００Ｅは、一次元に揺動し得る可動部を有する揺動体８１と、磁界を発生させるための磁気回路８３と、これらを保持するベースプレート８５とを備えている。揺動体８１は、可動部８７と、可動部８７を支持するための支持部８９、９１と、可動部８７と支持部８９、９１を連結している連結部である一対のトーションバー９３、９５とを有している。一対のトーションバー９３、９５は、支持部８９、９１に対して可動部８７を、トーションバー９３、９５を通る一本の軸の周りに揺動可能に支持している。

可動部８７は平板状であり、その表面にミラーを有するとともに、裏面に駆動コイル９７を有している。駆動コイル９７は可動部８７の周縁部を周回している。駆動コイル９７の両端は、トーションバー９３を通る配線を介して、支持部８９に設けられた一対の電極パッド９９、１０１にそれぞれ接続されている。磁気回路８３は、磁界発生部材である一対の永久磁石１０３、１０５と、これらを保持するヨーク１０７とを備えている。

電極パッド９９、１０１には図示しないフレキシブル配線基板（ＦＰＣ）を経由して交流電流の駆動信号が印加される。これに応じて駆動コイル９７には電流が流れる。駆動コイル９７を流れる電流は、磁界成分との相互作用により、その大きさに依存して、ローレンツ力を受ける。駆動コイル９７の揺動軸に平行な一対の対辺部分は、そこを流れる電流が受けるローレンツ力により、可動部８７の面にほぼ垂直な方向の力を受ける。また、それら一対の対辺部分を流れる電流は互いに逆向きであるため、可動部８７は揺動軸の周りの偶力を受ける。このため、可動部８７は駆動コイル９７を流れる電流の大きさに応じて揺動軸の周りに回転する。

ここで、電極パッド９９、１０１に印加される駆動信号が交流電流であるため、駆動コイル９７に流れる電流は交流電流である。電流の方向が交互に切り替わるため、可動部８７が受ける偶力の方向は交互に切り替わり、これに応じて可動部８７の回転方向も交互に切り替わる。そして、本実施の形態においても、可動部８７に対し第１の方向及び第２の方向へ物理作用力（助勢力）が所定周期で交互に加えられる。

この電流駆動式の光スキャナ素子１００Ｅにおいても、可動部８７が一定の回転角速度で可動され、副走査方向におけるレーザー光線の走査軌跡が任意の位置で等速となる。そして、物理的作用力がさらに加えられることで、可動部８７を強制振動させることが可能となり、駆動のための振動が共振周波数に限定されなくなる。また、ガルバノミラーを用いる構成のように可動部８７の位置検出のための複雑な手段を必要としないので、素子構造が簡素となる。さらに、フィードバック回路等を増設する必要がないので、可動部８７を大きくする必要がなくなる。これに加え、可動部８７に対し第１の方向若しくは第２の方向にさらに物理的作用力が加えられて、可動部８７の動きが強制制御されるので、可動部８７の方向転換時における振動が減少されることとなる。

したがって、この光スキャナ素子１００Ｅによれば、副走査方向における分解能を均一にすることができる。そして、可動部８７の周波数を自由に変更することができ、共振周波数に限らず、任意な周波数でスキャニングができる。これにより、周波数選択の自由度を高めることができる。また、素子構造を簡素にして、微細化を可能にできる。さらに、可動部８７を大きくする必要がないので、スキャニングの高速化が可能となる。これに加え、可動部８７の方向転換時における振動を減少させることができ、この振動減少効果によっても、角速度を均一化し、スキャニングを高速化できる。

次に、本発明に係る光スキャナ素子の第６の実施の形態を説明する。
図１１はメモリ回路を備えた本発明の第６の実施の形態に係る光スキャナ素子を表すブロック図である。
この実施の形態による光スキャナ素子１００Ｆは、メモリ回路１１１を含む駆動回路１１３を有し、可動部４５と、可動部４５に対峙する少なくとも２つ以上の固定部とに設けられた電極のうち、一方が駆動回路１１３からの素子変位信号の入力される信号電極１１５であり、他方が一定電圧が印加される固定電位電極１１７となっている。本実施の形態では、可動部４５の可動側電極５３ｃと、第１駆動電極５３ａ及び第２駆動電極５３ｂとの２つの電極群のうち、一方の第１駆動電極５３ａ及び第２駆動電極５３ｂに信号電極１１５が接続され、他方の可動側電極５３ｃに固定電位電極１１７が接続される。

したがって、この光スキャナ素子１００Ｆによれば、メモリ回路１１１が備えられることで、このメモリ回路１１１に対して予め素子変位信号の書き込みが可能となる。そして、固定電位電極１１７に、一定の電圧が印加されると同時に、信号電極１１５に、予めメモリ回路１１１に書き込んでおいた素子変位信号が印加されることで、光スキャナ素子１００Ｆが高速にアクティブ駆動可能となる。

なお、本実施の形態に係る光スキャナ素子１００Ｆは、１次元又は２次元配列することによって光スキャナ素子アレイを構成することができる。
この光スキャナ素子アレイでは、可動部４５が一定の回転角速度で可動される光スキャナ素子１００Ｆがアレイ化され、分解能を均一にすることができるとともに、周波数を自由に変更することができ、任意な周波数でスキャニングができる。

また、本発明に係る光スキャナ素子は、可動部のそれぞれの遷移方向に対して２つ以上の物理的作用力が設定可能に構成されるものであってもよい。
このような構成とすることで、図示は省略するが、例えば片持ち梁型の可動部において、揺動先端部を揺動方向で挟む両側のそれぞれに２つ以上の物理的作用力が加えられるようになる。
これにより、可動部に対し、基本的な変位を行わせるための物理的作用力と、例えば可動部を一定の回転角速度で可動させるために助勢力として加える物理的作用力とが別々に印加可能となり、可動部の駆動制御回路が簡素に構成可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る光スキャナ素子の平面視を（ａ）、断面視を（ｂ）に表した構成説明図である。 図１に示した光スキャナ素子の給電構成を表した断面図である。 図１に示した光スキャナ素子の基本動作説明図である。 助勢駆動電圧が印加されることで共振周波数以外の周波数で変位可動される図１に示した光スキャナ素子の動作を説明するグラフである。 駆動電圧が重畳された変形例の動作説明図である。 助勢駆動電圧が印加されることで共振周波数より速い周波数で変位可動される第２の実施の形態に係る光スキャナ素子の動作を説明するグラフである。 検出部を備えた第３の実施の形態に係る光スキャナ素子の断面図である。 可動部の位置検出タイミングと助勢駆動電圧の印加タイミングとの相関を表した第３の実施の形態に係る光スキャナ素子の動作を説明するグラフである。 ２軸にて揺動される可動部を備えた第４の実施の形態に係る３次元光スキャナ素子を平面視（ａ）、断面視（ｂ），（ｃ）で表した斜視図である。 電磁駆動される本発明の第５の実施の形態に係る光スキャナ素子を表す斜視図である。 メモリ回路を備えた本発明の第６の実施の形態に係る光スキャナ素子を表すブロック図である。 従来の光スキャナの全体構成を示す斜視図である。 図１２に示した従来の光スキャナにおける圧電素子と支持部との動作を示す説明図である。 従来のガルバノミラー装置を示す分解斜視図である。 図１４に示した従来のガルバノミラー装置の断面図である。

符号の説明

４５、８７ 可動部
５３ａ 第１駆動電極（駆動源）
５３ｂ 第２駆動電極（駆動源）
５３ｃ 可動側電極（駆動源）
５５ａ、５５ｂ 電流計（検出部）
１１１ メモリ回路
１１３ 駆動回路
１１５ 信号電極
１１７ 固定電位電極
１００、１００Ａ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ 光スキャナ素子

Claims (10)

1. 弾性変位可能に支持され双方向に変位する可動部を備え、該可動部が変調機能を有する光スキャナ素子であって、
   前記可動部へ物理的作用力を加える駆動源を複数有し、
   該駆動源により前記可動部を第１の方向へ変位駆動させるに際し、該可動部が前記第１の方向に遷移している間に、前記駆動源により前記可動部に対し前記第１の方向若しくは前記第１の方向と異なる第２の方向にさらに物理的作用力が加えられ、この動作を繰り返すことで前記可動部が一定の回転角速度で可動することを特徴とする光スキャナ素子。
2. 弾性変位可能に支持され双方向に変位する可動部を備え、該可動部が変調機能を有する光スキャナ素子であって、
   前記可動部へ物理的作用力を加える駆動源を複数有し、
   該駆動源により前記可動部を第１の方向へ変位駆動させるに際し、該可動部が前記第１の方向に遷移している間に、前記駆動源により前記可動部に対し前記第１の方向若しくは前記第１の方向と異なる第２の方向にさらに物理的作用力が加えられ、この動作を繰り返すことで前記可動部が備える共振周波数より速い周波数で可動することを特徴とする光スキャナ素子。
3. 弾性変位可能に支持され双方向に変位する可動部を備え、該可動部が変調機能を有する光スキャナ素子であって、
   前記可動部へ物理的作用力を加える駆動源を複数有し、
   該駆動源により前記可動部を第１の方向へ変位駆動させるに際し、該可動部が前記第１の方向に遷移している間に、前記駆動源により前記可動部に対し前記第１の方向若しくは前記第１の方向と異なる第２の方向にさらに物理的作用力が加えられ、この動作を繰り返すことで前記可動部が備える共振周波数より遅い周波数で可動することを特徴とする光スキャナ素子。
4. 前記物理的作用力が、前記可動部の複数の作用点に加えられることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の光スキャナ素子。
5. 前記駆動源により前記可動部を前記第１の方向及び前記第２の方向へ変位させる物理的作用力が、静電気力であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の光スキャナ素子。
6. 前記物理的作用力が、縦軸を強度、横軸を時間としたパルス波形様に印加されることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項記載の光スキャナ素子。
7. 前記物理的作用力が、複数のパルス波形によって印加されることを特徴とする請求項６記載の光スキャナ素子。
8. 前記可動部のそれぞれの遷移方向に対して２つ以上の前記物理的作用力が設定可能に構成されたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項記載の光スキャナ素子。
9. 前記可動部の位置を検出する検出部を備え、該検出部によって前記可動部の位置を検出し、該検出位置に基づき前記可動部に対し物理的作用力が加えられることを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項記載の光スキャナ素子。
10. 前記光スキャナ素子がメモリ回路を含む駆動回路を有し、
    前記可動部と該可動部に対峙する少なくとも２つ以上の固定部とに設けられた電極のうち、一方が前記駆動回路からの素子変位信号の入力される信号電極であり、他方が一定電圧が印加される固定電位電極であることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１項記載の光スキャナ素子。

Images