JP2010048897A - 光走査装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元形状を有するスクリーンに画像を投影するのに適した光走査装置を提供する。
【解決手段】回転軸近傍が中空に形成された中空モータ３０と、中空モータ３０の回転軸上に配置され、回転軸が中空モータ３０の回転軸に対して略垂直に設けられた１次元走査ミラー２０と、１次元走査ミラー２０に対向するように配置された反射ミラー４０と、１次元走査ミラー２０及び反射ミラー４０と、中空モータ３０を挟んで反対側に設置されたレーザ光源５０とを備え、レーザ光源５０から発射されたレーザ光が中空モータ３０の中空部分を通過して１次元走査ミラー２０に入射し、そこで反射したレーザ光が反射ミラー４０に入射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光走査装置および画像形成装置に関するものである。

レーザープリンタ等において光走査により描画を行う光学デバイスとして、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）によってシリコン基板を加工することにより作成される光スキャナが知られている。このような光スキャナは、モータを用いてＸ−Ｙ方向に走査することにより、画像・映像表示を行っている。しかし、画像を投影するスクリーンが図５（Ａ）に示すように半球型の場合、Ｘ−Ｙ方向の走査を行うと、走査範囲は図５（Ｂ）の斜線部分に示すようになり、スクリーン以外の領域にも光が走査され、非効率であるという問題がある。

上記のような問題を解決するため、Ｘ−Ｙ走査の代わりに、ガルバノスキャナなどの１次元走査とモータなどの回転体を組み合わせたｒ−θ走査による駆動方法が提案されている。
例えば特許文献１には、ミラーを有する共振型ガルバノスキャナを、その回転軸と略垂直かつ交差する回転軸を有するガルバノスキャナで支持した光走査装置が開示されている。
また、特許文献２には、ガルバノミラーによる１次元走査とモータの回転動作を組み合わせることにより、ドットの集合である１次元の走査線がスクリーン上を回転し、スクリーン上を円形に２次元走査することが可能な２次元走査装置が開示されている。

特開２００３−３４４７９７号公報 特開２００４−４２７６号公報

しかし、特許文献１に開示された光走査装置を用いて半球体のスクリーンに画像を投影しようとすると、ミラーの回転軸上方に投影したい場合にレーザが邪魔となって表示できないエリアが存在する。
また、特許文献２に開示された２次元走査装置を用いた場合は、レーザを一緒に回転させなければならず、モータにかかる負荷イナーシャが大きくなるため、モータを大きくしなければならない。

そこで本発明の目的は、三次元形状を有するスクリーン、特に半球型のスクリーンに画像を投影するのに適した光走査装置を提供することである。

本発明に係る光走査装置は、回転軸近傍が中空に形成された回転体と、前記回転体の回転軸上に配置され、回転軸が前記回転体の回転軸に対して略垂直に設けられた１次元走査ミラーと、前記１次元走査ミラーに対向するように配置された反射ミラーと、前記１次元走査ミラー及び前記反射ミラーと、前記回転体を挟んで反対側に設置されたレーザ光源と、を備え、前記レーザ光源から発射されたレーザ光が前記中空部分を通過して前記１次元走査ミラーに入射し、そこで反射したレーザ光が前記反射ミラーに入射するものである。

また、本発明に係る光走査装置は、回転軸近傍が中空に形成された回転体と、前記回転体の回転軸上に配置された反射ミラーと、前記反射ミラーに対向するように配置され、回転軸が前記回転体の回転軸に対して略垂直に設けられた１次元走査ミラーと前記１次元走査ミラー及び前記反射ミラーと、前記回転体を挟んで反対側に設置されたレーザ光源と、を備え、前記レーザ光源から発射されたレーザ光が前記中空部分を通過して前記反射ミラーに入射し、そこで反射したレーザ光が前記１次元走査ミラーに入射するものである。

本発明によれば、１次元走査ミラーを回転軸周りに回転させると共に回転体を回転軸周りに回転させることにより、半球型の投影スクリーンに過不足無く画像を投影することができる。また、レーザ光源を、１次元走査ミラー及び反射ミラーと、回転体を挟んで反対側に配置するようにしたので、投影スクリーンに走査されるレーザ光がレーザ光源や配線によって遮られることがない。また、レーザ光源が回転体や１次元走査ミラーの外部に配置されるので、レーザ光源を回転させる必要がなくモータに余分な負荷をかけずに済むとともに、レーザ駆動信号がノイズの影響を受けにくく安定した駆動を実現することができる。さらに、レーザ光源の配置位置が回転体を挟んで１次元走査ミラー及び投影スクリーンと反対側になるため、レーザ光源の大きさなどが制限を受けないので、光学系の設計自由度が高いという利点がある。

本発明に係る画像形成装置は、上記の光走査装置を備えた画像形成装置であって、前記１次元走査ミラーを回動させることにより前記レーザ光を走査して、三次元形状を有するスクリーン上に画像を形成するものである。

本発明によれば、三次元形状を有するスクリーン、特に半球型の投影スクリーンに効率よく画像を投影することが可能な画像形成装置を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による光走査装置１０の構成を示す図である。図に示すように、光走査装置１０は、１次元走査ミラー２０、中空モータ３０（回転体）、反射ミラー４０、レーザ光源５０を備えている。

中空モータ３０は、回転軸Θの近傍が中空になっており、３６０度の回転が可能に構成されている。中空部分の回転軸Θに垂直な断面の面積はレーザ光が通過可能な大きさ以上であればよい。例えば、モータのシャフトにレーザ光が通過可能な貫通孔を設けておくようにしてもよい。中空モータ３０には、ダイレクトドライブモータ、ステッピングモータ、サーボモータ、ＤＣモータ等を用いることができる。

１次元走査ミラー２０は、中空モータ３０の回転軸Θ上に配置され、その回転軸Ｒが中空モータ３０の回転軸Θに対して略垂直に設けられている。

図２は、１次元走査ミラー２０の構造を示す図である。図２（Ａ）は斜視図であり、図２（Ｂ）は回転軸Ｒと直交する方向の断面図である。
図２に示すように、１次元走査ミラー２０は、凹部空間が形成された基礎基板２１と、可動板２２及びミラー（反射部）２４が形成された可動ミラー基板２５とによって構成されている。

基礎基板２１は、例えば、ガラス基板やシリコン基板よりなり、エッチングあるいは両端部にスぺーサ部を形成することなどによって可動板２２が振動する凹部空間を形成している。また、基礎基板２１の左右両側には、一対の永久磁石２６が配置されて静磁場を形成する。

可動ミラー基板２５は、シリコンの単結晶基板（薄板）をＭＥＭＳの微細加工技術を用いて形成され、例えば、コイル２３によって付勢される可動板２２、可動板２２上に形成されたミラー２４、可動板２２の両端部に設けられた一対のトーションバー（捻りばね）２７ａ、２７ｂ、可動板２２をトーションバーを介して支持する支持枠固定部２９ａ、２９ｂなどによって構成されている。

このような構成を有する１次元走査ミラー２０は、制御回路４０中の交流電流源４１からコイル２３に電流を供給（オン）すると、永久磁石２６が形成する静磁界との電磁力作用（フレミングの左手則）によりコイル２３に付勢力が発生し、トーションバー２７ａ、２７ｂを回動軸Ｒとして可動板２２が電流値に応じたある振れ角で回動する（図２（Ｂ）参照）。また、電流供給を中止（オフ）すると、トーションバー２７ａ、２７ｂのバネ力によって可動板２２が元に戻る。このオンオフ動作を高速で行うとあるスイッチング周波数（駆動周波数）で可動板２２が最もよく振れる状態（共振状態）となる。この振動が安定した共振状態で１次元走査ミラー２０を使用する。このように可動電極板と共に振動しているミラー２４にレーザ光などの光ビームを照射すると、反射光が走査光ビームとなる。なお、１次元走査ミラーとしてムービングコイル型の電磁ミラーを挙げたが、１次元走査ができれば駆動方法を問わない。

反射ミラー４０は、反射面が１次元走査ミラー２０のミラー２４と対向するように配置されている。図１に示すように、中空モータ３０の回転軸Θ上に配置された１次元走査ミラー２０から一定距離離れた位置に反射ミラー４０が配置される。図１に示すように、１次元走査ミラー２０のミラー２４面が反射ミラー４０の反射面に平行な時、レーザ光源５０から発射される光ビームＬが１次元走査ミラー２０及び反射ミラー４０で反射されて、回転軸Θ上の点Ｏを通るように調整することが望ましい。

レーザ光源５０は、１次元走査ミラー２０及び反射ミラー４０と、中空モータ３０を挟んで反対側に配置されている。レーザ光源５０から発射される光ビームＬは、例えば回転軸Θに沿って中空モータ３０の中空部分を通過するように調整する。

次に、光走査装置１０の動作について説明する。
レーザ光源５０から発射された光ビームＬは、中空モータ３０の中空部分を通過して１次元走査ミラー２０のミラー２４に入射し、そこで反射された光ビームＬが反射ミラー４０に入射する。１次元走査ミラー２０を回転軸Ｒ周りに回転させる（図中矢印ｒ方向に回転させる）ことにより、図１に示す矢印Ｓの方向に光ビームＬが走査される。

さらに、中空モータ３０を回転軸Θ周りに回転させることにより、反射ミラー４０で反射された光ビームＬは図１に示す矢印θの方向に走査される。よって、１次元走査ミラー２０の回転軸Ｒ周りの回転と、中空モータ３０の回転軸Θ周りの回転を組み合わせることにより、回転軸Θの延長上に位置する点Ｏを頂点とする半球状のスクリーン全体に光ビームＬを走査することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、１次元走査ミラー２０を回転軸Ｒ周りに回転させると共に中空モータ３０を回転軸Θ周りに回転させることにより、半球型のスクリーンに過不足無く画像を投影することができる。また、レーザ光源５０を、１次元走査ミラー２０及び反射ミラー４０と、中空モータ３０を挟んで反対側に配置し、光ビームＬは中空モータ３０の中空部分を通過して１次元走査ミラー２０のミラー２４に入射するようにしたので、投影スクリーンに走査される光ビームＬがレーザ光源５０や配線によって遮られることがない。また、レーザ光源５０が中空モータ３０や１次元走査ミラー２０の外部に配置されるので、レーザ光源５０を回転させる必要がなくモータに余分な負荷をかけずに済むとともに、レーザ駆動信号がノイズの影響を受けにくく安定した駆動を実現することができる。さらに、レーザ光源５０の配置位置が中空モータ３０を挟んで１次元走査ミラー２０及びスクリーンと反対側になるため、レーザ光源５０の大きさなどが制限を受けないので、光学系の設計自由度が高いという利点がある。

なお、中空モータ３０の代わりに、図３に示すようにモータ３１、第１の回転ギア３２、第２の回転ギア３３から構成される回転体を用いても良い。モータ３１には、ダイレクトドライブモータ、ステッピングモータ、サーボモータ、ＤＣモータ等を用いることができる。第１の回転ギア３２は、モータ３１に接続し、回転軸Ｔの周りに３６０度回転可能である。第２の回転ギア３３は第１の回転ギア３２に接続し、回転軸Θの周りに３６０度回転可能である。第２の回転ギア３３は、回転軸Θの近傍にレーザ光が通過可能な程度の大きさ以上の中空を有している。１次元走査ミラー２０は、第２の回転ギア３３の回転軸Θ上に配置され、その回転軸Ｒが回転軸Θに対して略垂直に設けられている。
このように、高価な中空モータ３０の代わりにモータ３１、第１の回転ギア３２、及び第２の回転ギア３３から構成される回転体を用いることにより、低コストで本実施形態による光走査装置１０を作成することができる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２による光走査装置６０の構成を示す図である。図に示すように、光走査装置１０は、１次元走査ミラー２０、中空モータ３０（回転体）、反射ミラー４０、レーザ光源５０を備えている点は実施の形態１と同様であるが、実施の形態２では、１次元走査ミラー２０ではなく反射ミラー４０が、中空モータ３０の回転軸Θ上に配置されている。その回転軸Ｒが中空モータ３０の回転軸Θに対して略垂直に設けられている。

１次元走査ミラー２０はミラー２４が反射ミラー４０の反射面と対向するように、反射ミラー４０から一定距離離れた位置に配置される。図４に示すように、１次元走査ミラー２０のミラー２４面が反射ミラー４０の反射面に平行な時、レーザ光源５０から発射される光ビームＬが反射ミラー４０及び１次元走査ミラー２０で反射されて、回転軸Θ上の点Ｏを通るように調整することが望ましい。

レーザ光源５０から発射された光ビームＬは、中空モータ３０の中空部分を通過して反射ミラー４０に入射し、そこで反射された光ビームＬが１次元走査ミラー２０のミラー２４に入射する。１次元走査ミラー２０を回転軸Ｒ周りに回転させる（図中矢印ｒ方向に回転させる）ことにより、図４に示す矢印Ｓの方向に光ビームＬが走査される。

さらに、中空モータ３０を回転軸Θ周りに回転させることにより、１次元走査ミラー２０で反射された光ビームＬは図４に示す矢印θの方向に走査される。よって、１次元走査ミラー２０の回転軸Ｒ周りの回転と、中空モータ３０の回転軸Θ周りの回転を組み合わせることにより、回転軸Θの延長上に位置する点Ｏを頂点とする半球状のスクリーン全体に光ビームＬを走査することができる。

（画像形成装置）
光走査装置１０は、例えば、画像を投影するスクリーンが半球型のプロジェクタ、イメージング用ディスプレイなどの画像形成装置に好適に適用することができる。その結果、優れた描画特性を有する画像形成装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１による光走査装置の構成を示す図。 １次元走査ミラーの構造を示す図。 本発明の実施の形態１の他の例による光走査装置の構成を示す図。 本発明の実施の形態２による光走査装置の構成を示す図。 図５（Ａ）は、半球型のスクリーンに画像を投影する場合の構成を示す図、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示すＣ方向からスクリーンを見た図である。

符号の説明

１０，６０ 光走査装置、２０ １次元走査ミラー、３０ 中空モータ、３１ モータ、３２ 第１の回転ギア、３３ 第２の回転ギア、４０ 反射ミラー、５０ レーザ光源

Claims (3)

1. 回転軸近傍が中空に形成された回転体と、
   前記回転体の回転軸上に配置され、回転軸が前記回転体の回転軸に対して略垂直に設けられた１次元走査ミラーと、
   前記１次元走査ミラーに対向するように配置された反射ミラーと、
   前記１次元走査ミラー及び前記反射ミラーと、前記回転体を挟んで反対側に設置されたレーザ光源と、を備え、
   前記レーザ光源から発射されたレーザ光が前記中空部分を通過して前記１次元走査ミラーに入射し、そこで反射したレーザ光が前記反射ミラーに入射することを特徴とする光走査装置。
2. 回転軸近傍が中空に形成された回転体と、
   前記回転体の回転軸上に配置された反射ミラーと、
   前記反射ミラーに対向するように配置され、回転軸が前記回転体の回転軸に対して略垂直に設けられた１次元走査ミラーと
   前記１次元走査ミラー及び前記反射ミラーと、前記回転体を挟んで反対側に設置されたレーザ光源と、を備え、
   前記レーザ光源から発射されたレーザ光が前記中空部分を通過して前記反射ミラーに入射し、そこで反射したレーザ光が前記１次元走査ミラーに入射することを特徴とする光走査装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の光走査装置を備えた画像形成装置であって、
   前記１次元走査ミラーを回動させることにより前記レーザ光を走査して、三次元形状を有するスクリーン上に画像を形成する画像形成装置。

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