JP2010107666A - Optical scanner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電磁共振型の光スキャナに関するものであり、特に、電磁力と板バネのねじれ共振とを利用してミラーを振動させることによって、光を二次元に走査させることができる技術に関するものである。 The present invention relates to an electromagnetic resonance type optical scanner, and more particularly to a technique capable of scanning light two-dimensionally by vibrating a mirror using electromagnetic force and torsional resonance of a leaf spring. It is.
光スキャナとは、レーザ光などの光を走査させるデバイスであり、バーコードリーダや、レーザープリンタ、計測機器、ディスプレイなどへ広く応用されている。光スキャナは、光を走査させるミラーの駆動方式の違いにより、ポリゴンミラー型、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)型、および共振型の3つのタイプに分類できる。 An optical scanner is a device that scans light such as laser light, and is widely applied to barcode readers, laser printers, measuring instruments, displays, and the like. Optical scanners can be classified into three types: a polygon mirror type, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) type, and a resonance type, depending on the driving method of a mirror that scans light.
ポリゴンミラー型は、アルミ板やガラス板を回転軸に平行な多面体にカット・研磨・コートして、各面に反射面を施したミラーを、モータで回転することによって光を走査させる方式である。その最大偏向角度および走査周波数は、モータの回転数を一定とすれば、ミラーの反射面の数に依存する。ポリンゴンミラー型の光スキャナは、その優れた最大偏向角度および走査周波数から、現在最も幅広く利用されている。しかし、モータを用いるため、小型化および省電力化に限界があるという課題がある。 The polygon mirror type is a system in which light is scanned by rotating, with a motor, a mirror that is cut, polished, and coated on a polyhedron parallel to the rotation axis of an aluminum plate or glass plate, and each surface has a reflective surface. . The maximum deflection angle and scanning frequency depend on the number of reflecting surfaces of the mirror if the rotation speed of the motor is constant. Polingon mirror type optical scanners are currently most widely used due to their excellent maximum deflection angle and scanning frequency. However, since a motor is used, there is a problem that there is a limit to miniaturization and power saving.
MEMS型は、主に静電力によるものが主である駆動方式である。MEMS型は、MEMS技術により小型化には非常に有効である。しかし、MEMS型の光スキャナは、大きなトルクを得ることができないため、偏向角度が小さい、すなわち、光の走査角度を大きく取ることが難しいという課題がある.
共振型は、板バネのねじれ運動による共振現象を利用しミラーを振動(回転)させることによって、光を走査させる方式である。共振型は、モータを回転させるポリゴンミラー型に比べて、小型かつ省電力で、摩擦箇所が少ないために、長寿命などの利点はある。例えば特許文献1には、小型化および軽量化を図った電磁共振型の光スキャナが記載されている。しかし、共振型は、偏向角度を、MEMS型と比較して優位であるものの大きくとることができない。また、特許文献1に記載の光スキャナでは、その構造上、可動部と固定部とのギャップが、回転角の増加とともに増加することから、駆動時において変動するため、トルクが大きく減少し、大きな偏向角度を確保することが困難である。
The MEMS type is a driving method mainly using an electrostatic force. The MEMS type is very effective for miniaturization by MEMS technology. However, since the MEMS type optical scanner cannot obtain a large torque, there is a problem that the deflection angle is small, that is, it is difficult to obtain a large light scanning angle.
The resonance type is a method of scanning light by vibrating (rotating) a mirror using a resonance phenomenon caused by a torsional motion of a leaf spring. The resonance type has advantages such as a long life because it is smaller and consumes less power and has less frictional parts than the polygon mirror type that rotates the motor. For example, Patent Document 1 describes an electromagnetic resonance type optical scanner that is reduced in size and weight. However, although the resonance type is superior to the MEMS type in deflection angle, it cannot take a large value. Further, in the optical scanner described in Patent Document 1, because of the structure, the gap between the movable portion and the fixed portion increases with an increase in the rotation angle. It is difficult to ensure a deflection angle.
さて、今後、一次元から二次元に走査可能な光スキャナが非常に期待されている。現状では、ポリゴンミラーを2つのモータを用いて光を走査させる方式が一般的である。 In the future, an optical scanner capable of scanning from one dimension to two dimensions is highly expected. At present, a method of scanning light using a polygon mirror with two motors is common.
図5は、従来のポリゴンミラー型の二次元走査式光スキャナの構成を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a conventional polygon mirror type two-dimensional scanning optical scanner.
図5に示すように、従来のポリゴンミラー型の二次元走査式光スキャナは、モータ103により回転するミラー102と、モータ105により回転するミラー104とが、互いの反射面が対向するように配置され、レーザ101からのレーザ光がミラー102の反射面に出射される構成を有している。この構成によれば、ミラー102およびミラー104の反射面の数を適宜設定し、モータ103およびモータ105の回転数を制御することにより、レーザ光を二次元的に走査させることが可能となっている。
As shown in FIG. 5, a conventional polygon mirror type two-dimensional scanning optical scanner is arranged such that a
しかしながら、上記のようなポリゴンミラー型の二次元走査式光スキャナでは、2つのモータ103およびモータ105を使用しているため、さらなる大型化および消費電力の増大が生じている。
However, since the polygon mirror type two-dimensional scanning optical scanner as described above uses the two
一方、MEMS型の光スキャナなどにおいても、二次元に走査可能な構成についての開発が行われている。MEMS型の二次元走査式光スキャナとしては、例えば特許文献2に、レーザ光のスキャニングシステムなどに適用するガルバノミラーが記載されている。 On the other hand, in a MEMS type optical scanner or the like, a configuration capable of two-dimensional scanning has been developed. As a MEMS type two-dimensional scanning optical scanner, for example, Patent Document 2 describes a galvanometer mirror applied to a laser beam scanning system or the like.
図6は、従来のMEMS型の二次元走査式光スキャナの構成を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing a configuration of a conventional MEMS type two-dimensional scanning optical scanner.
図6に示すように、従来のMEMS型の二次元走査式光スキャナは、ミラー111、4つの永久磁石112〜115、4つのトーションバー116〜119、固定板120、外側可動板121、並びに内側可動板122により構成されている。ミラー111は、内側可動板122の上に設けられている。
As shown in FIG. 6, the conventional MEMS type two-dimensional scanning optical scanner includes a
この構成によれば、ローレンツ力が生じ、トーションバー116・118がねじれ運動を繰り返すことで、内側可動板122が振動することによって、ミラー111が振動する。また、ローレンツ力が生じ、トーションバー117・119がねじれ運動を繰り返すことで、外側可動板121が振動することによって、ミラー111が振動する。このように、各トーションバー116〜119がねじれ運動を繰り返すことによって、ミラー111を二次元に振動させることが可能となっている。
しかしながら、従来のMEMS型の二次元走査式光スキャナでは、従来のポリゴンミラー型の二次元走査式光スキャナと比較して、小型化が可能であるものの、一次元での走査と同様にトルクが小さいため、偏向角度が小さいという問題が残ったままとなっている。また、MEMS型の光スキャナには、強磁性体を組み込むことができないという問題点がある。 However, the conventional MEMS type two-dimensional scanning optical scanner can be reduced in size as compared with the conventional polygon mirror type two-dimensional scanning optical scanner, but the torque is the same as in the one-dimensional scanning. Since it is small, the problem that the deflection angle is small remains. Further, the MEMS type optical scanner has a problem that a ferromagnetic material cannot be incorporated.
それゆえ、強磁性体を組み込むことが可能な共振型で、小型化を実現するとともに、大きな偏向角度でミラーを二次元に振動させることが可能な光スキャナの開発が望まれている。 Therefore, there is a demand for the development of an optical scanner that can incorporate a ferromagnetic material, realizes downsizing, and can vibrate a mirror two-dimensionally with a large deflection angle.
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、小型化を実現するとともに、二次元で高トルクを発生することにより、二次元の大きな偏向角度を得ることができる電磁共振型の光スキャナを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object thereof is to obtain a large two-dimensional deflection angle by realizing downsizing and generating a high torque in two dimensions. It is an object of the present invention to provide an electromagnetic resonance type optical scanner.
本発明の光スキャナは、上記課題を解決するために、固定部に回転可能に支持された可動部の反射面で入射光を反射させることにより、光を走査させる光スキャナにおいて、上記可動部は、2軸のジンバル機構により上記反射面とともに回転する構成を有し、上記固定部は、永久磁石によって発生する定常磁束と、コイルに電流を流すことによって発生する駆動磁束との合成により、上記可動部を回転させる電磁トルクを発生させる構成を有し、上記可動部を一方の軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、上記可動部の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧が上記コイルに与えられることにより発生し、上記可動部を他方の軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、段階的に変化する直流電圧が上記コイルに与えられることにより発生していることを特徴としている。 In order to solve the above problems, the optical scanner of the present invention is a light scanner that scans light by reflecting incident light on a reflecting surface of a movable part rotatably supported by a fixed part. It has a configuration that rotates together with the reflecting surface by a biaxial gimbal mechanism, and the fixed portion is movable by combining a stationary magnetic flux generated by a permanent magnet and a driving magnetic flux generated by passing a current through a coil. The drive magnetic flux that generates the electromagnetic torque that rotates the movable part about one axis is configured to generate an electromagnetic torque that rotates the moving part, and an AC voltage having a frequency that matches the resonance frequency of the movable part is applied to the coil. The driving magnetic flux that is generated when applied and generates the electromagnetic torque that rotates the movable part about the other axis is applied to the coil with a DC voltage that changes stepwise. It is characterized by being generated by Rukoto.
上記の構成によれば、コイルに電流を流すことによって発生する駆動磁束は、永久磁石によって発生する定常磁束と逆方向に発生していると打ち消しあって弱くなり、永久磁石によって発生する定常磁束と同一方向に発生していると合成して強くなる。よって、可動部と固定部との間の吸引力が、一方では増加して、他方では減少する。これにより、電磁トルクが発生し、可動部が回転する。 According to the above configuration, the driving magnetic flux generated by passing a current through the coil cancels and weakens when generated in the opposite direction to the stationary magnetic flux generated by the permanent magnet, and the stationary magnetic flux generated by the permanent magnet If they occur in the same direction, they will be combined and become stronger. Therefore, the suction force between the movable part and the fixed part increases on the one hand and decreases on the other hand. Thereby, electromagnetic torque is generated and the movable part rotates.
また、可動部を一方の軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、コイルに交流電圧が与えられることにより発生するので、その発生方向は交互に切り替わる。これにより、可動部はねじれ運動を繰り返す。そして、交流電圧の周波数は、可動部の共振周波数に合わせられていることにより、可動部は共振駆動を行うので、回転角度(偏向角度)を増幅することが可能となっている。 Moreover, since the drive magnetic flux which generates the electromagnetic torque for rotating the movable part on one axis is generated when an AC voltage is applied to the coil, the generation direction is alternately switched. Thereby, a movable part repeats a twist motion. Since the frequency of the AC voltage is adjusted to the resonance frequency of the movable part, the movable part performs resonance driving, so that the rotation angle (deflection angle) can be amplified.
可動部を他方の軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、コイルに段階的に変化する直流電圧が与えられることにより発生するので、発生方向は一定で、磁束の強さが段階的に変化する。これにより、可動部は段階的に回転する。 The drive magnetic flux that generates the electromagnetic torque that rotates the movable part on the other axis is generated by applying a DC voltage that changes stepwise to the coil, so the direction of generation is constant and the strength of the magnetic flux increases stepwise. Change. Thereby, a movable part rotates in steps.
このように、可動部が大きな角度で二次元で回転することにより、反射面も大きな角度で二次元で回転することが可能となる。また、従来のポリゴンミラー型の二次元光スキャナと比較して、モータを用いていないので、小型化が可能となる。したがって、小型化を実現するとともに、二次元で高トルクを発生させることにより、二次元の大きな偏向角度を得ることが可能となる。 As described above, when the movable portion rotates in a two-dimensional manner at a large angle, the reflecting surface can also rotate in a two-dimensional manner at a large angle. Further, as compared with a conventional polygon mirror type two-dimensional optical scanner, since a motor is not used, the size can be reduced. Therefore, it is possible to obtain a large two-dimensional deflection angle by realizing miniaturization and generating a high torque in two dimensions.
また、本発明の光スキャナは、上記課題を解決するために、固定部に回転可能に支持された可動部の反射面で入射光を反射させることにより、光を走査させる光スキャナにおいて、上記可動部は、トーションバーにより回転する第1回転軸、および、該第1回転軸に直交し別のトーションバーにより回転する第2回転軸が同一平面上にあるジンバル機構により回転し、該第1回転軸と該第2回転軸との直交点を含むように形成された磁性板と、上記磁性板に設けられた上記反射面とを備え、上記直交点に重心が位置するように構成されており、上記固定部は、自身の中心軸上に上記直交点が位置し、該中心軸を含む第1平面上に上記第1回転軸が位置し、該中心軸を含みかつ該第1平面に直交する第2平面上に上記第2回転軸が位置するとともに、上記反射面が上側に露出するように、上記可動部を回転可能に支持する磁性体支柱と、上記磁性体支柱の上記可動部を支持する側とは反対側の面に固定された永久磁石と、上記第1平面において上記中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有するとともに、上記第2平面において上記中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有し、上記磁性体支柱が上側に位置するように上記永久磁石が固定された磁性体本体と、電流が流れることで、上記磁性体本体の上記第1平面の断面形状をなす部分を通る第1磁束を発生させるように、該磁性体本体に巻き付けられた第1コイルと、電流が流れることで、上記磁性体本体の上記第2平面の断面形状をなす部分を通る第2磁束を発生させるように、該磁性体本体に巻き付けられた第2コイルとを備え、上記第1コイルには、上記可動部の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧が与えられ、上記第2コイルには、段階的に変化する直流電圧が与えられることを特徴としている。 In order to solve the above-described problem, the optical scanner of the present invention is an optical scanner that scans light by reflecting incident light on a reflecting surface of a movable part that is rotatably supported by a fixed part. The first rotation axis is rotated by a gimbal mechanism in which a first rotation axis rotated by a torsion bar and a second rotation axis orthogonal to the first rotation axis and rotated by another torsion bar are on the same plane, and the first rotation A magnetic plate formed so as to include an orthogonal point between the shaft and the second rotation axis, and the reflective surface provided on the magnetic plate, and is configured such that the center of gravity is located at the orthogonal point. The fixing portion has the orthogonal point located on its own central axis, the first rotation axis located on a first plane including the central axis, the central axis and orthogonal to the first plane. When the second rotation axis is located on the second plane In addition, the magnetic support column that rotatably supports the movable part, and a permanent member fixed to the surface of the magnetic support column opposite to the side supporting the movable part so that the reflection surface is exposed to the upper side. The magnet has a U-shaped cross-sectional shape with an open upper side symmetrical with respect to the central axis on the first plane, and an upper side with an open upper side symmetrical with respect to the central axis on the second plane. A cross-sectional shape of the first plane of the magnetic body main body having a letter-shaped cross-sectional shape, and a magnetic body main body to which the permanent magnet is fixed so that the magnetic pillar is positioned on the upper side; The first coil wound around the magnetic body so as to generate a first magnetic flux that passes through the portion that forms a portion, and a current flows through the portion that forms the cross-sectional shape of the second plane of the magnetic body. The magnetic field is generated so as to generate the second magnetic flux. A second coil wound around the body body, the first coil being supplied with an AC voltage having a frequency in accordance with the resonance frequency of the movable part, and the second coil being changed in a stepwise manner. It is characterized by being given a voltage.
上記の構成によれば、磁性体本体には、永久磁石により、第1平面において中心軸に対し左右対称な位置に磁極が形成されるとともに、第2平面において中心軸に対し左右対称な位置に磁極が形成される。これにより、第1平面では、永久磁石から磁性体支柱および可動部を順次経由して磁極に向かう方向の磁束が、中心軸に対し左右対称に発生する。また、第2平面では、永久磁石から磁性体支柱および可動部を順次経由して磁極に向かう方向の磁束が、中心軸に対し左右対称に発生する。よって、第1磁束および第2磁束は、永久磁石により磁束が発生している状態において発生することになる。 According to the above configuration, the magnetic body is formed with magnetic poles at positions symmetrical with respect to the central axis on the first plane by the permanent magnet, and at positions symmetrical with respect to the central axis on the second plane. A magnetic pole is formed. As a result, on the first plane, magnetic flux in a direction from the permanent magnet to the magnetic pole via the magnetic column and the movable part in sequence is generated symmetrically with respect to the central axis. In the second plane, the magnetic flux in the direction from the permanent magnet to the magnetic pole via the magnetic support column and the movable part is generated symmetrically with respect to the central axis. Therefore, the first magnetic flux and the second magnetic flux are generated in a state where the magnetic flux is generated by the permanent magnet.
ここで、第1平面において説明すると、磁性体本体は、中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有しているので、第1磁束は、磁性体本体および可動部を通るように発生する。このため、コイルによる第1磁束は、片側の永久磁石による磁束とは打ち消しあって弱くなり、もう片側の永久磁石による磁束とは合成して強くなる。よって、可動部と固定部との間の吸引力が、一方では増加して、他方では減少する。これにより、電磁トルクが発生し、可動部が回転する。 Here, in the first plane, since the magnetic body has a U-shaped cross-sectional shape with the upper left and right sides symmetrical with respect to the central axis, the first magnetic flux is generated by the magnetic body and the movable body. Generated through the part. For this reason, the first magnetic flux generated by the coil cancels out the magnetic flux generated by the permanent magnet on one side and becomes weaker and becomes stronger in combination with the magnetic flux generated by the permanent magnet on the other side. Therefore, the suction force between the movable part and the fixed part increases on the one hand and decreases on the other hand. Thereby, electromagnetic torque is generated and the movable part rotates.
また、第1磁束は、第1コイルに交流電圧が与えられることにより発生するので、その発生方向は交互に切り替わる。これにより、可動部はねじれ運動を繰り返す。そして、交流電圧の周波数は、可動部の共振周波数に合わせられていることにより、可動部は共振駆動を行うので、回転角度(偏向角度)を増幅することが可能となっている。 Further, since the first magnetic flux is generated when an AC voltage is applied to the first coil, the generation direction is alternately switched. Thereby, a movable part repeats a twist motion. Since the frequency of the AC voltage is adjusted to the resonance frequency of the movable part, the movable part performs resonance driving, so that the rotation angle (deflection angle) can be amplified.
第2平面においても、同様の原理により可動部が回転する。そして、第2磁束は、第2コイルに段階的に変化する直流電圧が与えられることにより発生するので、発生方向は一定で、磁束の強さが段階的に変化する。これにより、可動部は段階的に回転する。 Also in the second plane, the movable portion rotates on the same principle. Since the second magnetic flux is generated when a DC voltage that changes stepwise is applied to the second coil, the generation direction is constant and the strength of the magnetic flux changes stepwise. Thereby, a movable part rotates in steps.
このように、可動部が大きな角度で二次元で回転することにより、反射面も大きな角度で二次元で回転することが可能となる。また、従来のポリゴンミラー型の二次元光スキャナと比較して、モータを用いていないので、小型化が可能となる。したがって、小型化を実現するとともに、二次元で高トルクを発生させることにより、二次元の大きな偏向角度を得ることが可能となる。 As described above, when the movable portion rotates in a two-dimensional manner at a large angle, the reflecting surface can also rotate in a two-dimensional manner at a large angle. Further, as compared with a conventional polygon mirror type two-dimensional optical scanner, since a motor is not used, the size can be reduced. Therefore, it is possible to obtain a large two-dimensional deflection angle by realizing miniaturization and generating a high torque in two dimensions.
また、本発明の光スキャナは、上記磁性体本体の上記中心軸に平行な内側の面は、上記可動部が回転するときの端部の軌道に対し一定の隙間を形成するような形状を有していることが好ましい。 In the optical scanner of the present invention, the inner surface parallel to the central axis of the magnetic body has a shape that forms a constant gap with respect to the end track when the movable portion rotates. It is preferable.
または、本発明の光スキャナは、上記磁性体本体の上記中心軸に平行な内側の面に、上記可動部が回転するときの端部の軌道に対し一定の隙間を形成するような形状の延長磁性体が設けられていることが好ましい。 Alternatively, the optical scanner of the present invention is an extension of a shape that forms a fixed gap on the inner surface parallel to the central axis of the magnetic body body with respect to the end orbit when the movable part rotates. A magnetic body is preferably provided.
上記の各構成によれば、可動部と固定部との隙間が一定となるので、永久磁石から磁性体支柱および可動部を順次経由して磁極に向かう方向の磁束を、効率良く発生させることが可能となる。よって、トルクの減少を防止し、大きな偏向角度を確保することが可能となる。 According to each of the above configurations, since the gap between the movable part and the fixed part is constant, it is possible to efficiently generate the magnetic flux in the direction from the permanent magnet to the magnetic pole via the magnetic column and the movable part sequentially. It becomes possible. Therefore, it is possible to prevent a reduction in torque and ensure a large deflection angle.
また、本発明の光スキャナは、上記磁性体本体の上記中心軸に平行な内側の面は、内側に下りるような階段形状を有していることが好ましい。 In the optical scanner of the present invention, it is preferable that an inner surface parallel to the central axis of the magnetic body has a stepped shape so as to descend inward.
上記の構成によれば、第2磁束のように、磁束の強さが段階的に変化することにより、可動部が段階的に回転する場合、各段階において、可動部を安定して落着させることが可能となる。 According to the above configuration, when the movable portion rotates stepwise by changing the strength of the magnetic flux stepwise as in the second magnetic flux, the movable portion is stably settled in each step. Is possible.
以上のように、本発明の光スキャナは、可動部は、2軸のジンバル機構により上記反射面とともに回転する構成を有し、上記固定部は、永久磁石によって発生する定常磁束と、コイルに電流を流すことによって発生する駆動磁束との合成により、可動部を回転させる電磁トルクを発生させる構成を有し、上記可動部を一方の軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、上記可動部の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧が上記コイルに与えられることにより発生し、上記可動部を他方の軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、段階的に変化する直流電圧が上記コイルに与えられることにより発生している構成である。 As described above, in the optical scanner of the present invention, the movable part has a configuration that rotates together with the reflecting surface by a biaxial gimbal mechanism, and the fixed part has a steady magnetic flux generated by a permanent magnet and a current in the coil. The driving magnetic flux for generating the electromagnetic torque for rotating the movable part on one axis is combined with the driving magnetic flux generated by flowing the electromagnetic wave to rotate the movable part. The drive magnetic flux that generates the electromagnetic torque that rotates the movable portion about the other axis is generated by applying an alternating voltage having a frequency that matches the resonance frequency of the coil to the coil. It is the structure which has arisen by being given to.
また、本発明の光スキャナは、可動部は、トーションバーにより回転する第1回転軸、および、該第1回転軸に直交し別のトーションバーにより回転する第2回転軸が同一平面上にあるジンバル機構により回転し、該第1回転軸と該第2回転軸との直交点を含むように形成された磁性板と、上記磁性板に設けられた上記反射面とを備え、上記直交点に重心が位置するように構成されており、上記固定部は、自身の中心軸上に上記直交点が位置し、該中心軸を含む第1平面上に上記第1回転軸が位置し、該中心軸を含みかつ該第1平面に直交する第2平面上に上記第2回転軸が位置するとともに、上記反射面が上側に露出するように、上記可動部を回転可能に支持する磁性体支柱と、上記磁性体支柱の上記可動部を支持する側とは反対側の面に固定された永久磁石と、上記第1平面において上記中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有するとともに、上記第2平面において上記中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有し、上記磁性体支柱が上側に位置するように上記永久磁石が固定された磁性体本体と、電流が流れることで、上記磁性体本体の上記第1平面の断面形状をなす部分を通る第1磁束を発生させるように、該磁性体本体に巻き付けられた第1コイルと、電流が流れることで、上記磁性体本体の上記第2平面の断面形状をなす部分を通る第2磁束を発生させるように、該磁性体本体に巻き付けられた第2コイルとを備え、上記第1コイルには、上記可動部の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧が与えられ、上記第2コイルには、段階的に変化する直流電圧が与えられる構成である。 In the optical scanner of the present invention, the movable portion has a first rotation axis that is rotated by a torsion bar and a second rotation axis that is orthogonal to the first rotation axis and rotated by another torsion bar on the same plane. A magnetic plate rotated by a gimbal mechanism and formed to include an orthogonal point between the first rotation axis and the second rotation axis, and the reflection surface provided on the magnetic plate, The center of gravity is configured such that the fixed portion has the orthogonal point located on its center axis, the first rotation axis located on a first plane including the center axis, and the center. A magnetic column that rotatably supports the movable part such that the second rotation axis is located on a second plane that includes an axis and is orthogonal to the first plane, and the reflection surface is exposed upward; The surface of the magnetic column opposite to the side supporting the movable part A fixed permanent magnet, and a U-shaped cross-sectional shape having an open upper side symmetrical with respect to the central axis in the first plane, and an upper side symmetrical with respect to the central axis in the second plane. A magnetic body having an open U-shaped cross-sectional shape and having the permanent magnet fixed so that the magnetic column is positioned on the upper side; and a current flows, whereby the first of the magnetic body. A first coil wound around the magnetic body and a current flow so as to generate a first magnetic flux passing through a portion having a planar cross-sectional shape, and thereby the cross-sectional shape of the second plane of the magnetic body is changed. A second coil wound around the magnetic body so as to generate a second magnetic flux passing through the portion formed, and the first coil is given an AC voltage having a frequency in accordance with the resonance frequency of the movable part. The second coil It is configured such that a DC voltage which changes stepwise is provided.
それゆえ、可動部が大きな角度で二次元で回転することにより、反射面も大きな角度で二次元で回転することができる。また、従来のポリゴンミラー型の二次元光スキャナと比較して、モータを用いていないので、小型化ができる。したがって、小型化を実現するとともに、二次元で高トルクを発生させることにより、二次元の大きな偏向角度を得ることができるという効果を奏する。 Therefore, when the movable part rotates in two dimensions at a large angle, the reflecting surface can also rotate in two dimensions at a large angle. Further, as compared with a conventional polygon mirror type two-dimensional optical scanner, since a motor is not used, the size can be reduced. Therefore, it is possible to obtain a two-dimensional large deflection angle by realizing miniaturization and generating two-dimensional high torque.
本発明の一実施形態について図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(二次元電磁共振型光スキャナの構成)
図1は、本実施の形態の二次元電磁共振型光スキャナ1の一構成例を示す斜視図である。図2は、図1に示す二次元電磁共振型光スキャナ1における、(a)は固定部10の構成を示す斜視図であり、(b)は可動部30の構成を示す斜視図である。
(Configuration of two-dimensional electromagnetic resonance type optical scanner)
FIG. 1 is a perspective view showing a configuration example of a two-dimensional electromagnetic resonance type optical scanner 1 according to the present embodiment. 2A is a perspective view showing the configuration of the fixed
図1および図2に示すように、本実施の形態の二次元電磁共振型光スキャナ1(以下、光スキャナ1と略記する)は、固定部10と、固定部10に支持されながら動作する可動部30とを備えている。なお、光スキャナ1は、固定部10の磁性体支柱21の中心軸を中心として構成している。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, a two-dimensional electromagnetic resonance type optical scanner 1 (hereinafter abbreviated as “optical scanner 1”) of the present embodiment is a fixed
図2(a)に示すように、固定部10は、コア11、4つのコイル12〜15、延長磁極16・17、非磁性体18・19、永久磁石20、並びに磁性体支柱21により構成されている。
As shown in FIG. 2A, the fixed
コア11は、磁性材料(SUY)からなる多面体(固定鉄心)である。コア11は、上面視が十字型の多面体において、4つの端部を上方向に直角に折り曲げたような形状を有している。言い換えると、コア11は、中心軸を含む第1平面において、中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有するとともに、中心軸を含みかつ第1平面に直交する第2平面において、中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有している。
The
ここで、上面視で十字型を形成する一方の方向を、光スキャナ1全体としてのx方向とし、他方の方向(x方向に直交する方向)をy方向とする。また、xy平面に直交する方向をz方向とする。さらに、z方向のうち、コア11のz方向に平行な部分が立ち上がっている方向を、光スキャナ1全体としての上側とする。 Here, one direction forming a cross shape in a top view is an x direction as the entire optical scanner 1, and the other direction (a direction orthogonal to the x direction) is a y direction. Further, the direction orthogonal to the xy plane is defined as the z direction. Furthermore, a direction in which a portion parallel to the z direction of the core 11 rises in the z direction is an upper side of the optical scanner 1 as a whole.
コア11における、上面視で十字型を形成する4つの部分には、4つのコイル12〜15(例えば各100T)がそれぞれ巻かれている。また、コイル12〜15には、コイル12〜15に電流を流すように、電圧を与えることが可能な部材(図示せず)が接続されている。
Four coils 12 to 15 (for example, 100T each) are wound around four portions of the core 11 forming a cross shape in a top view. In addition, a member (not shown) capable of applying a voltage is connected to the
コア11におけるz方向に平行に立ち上がっている4つの部分は、対向するもの同士が同じ高さを有している。そして、一方の対向するものの高さは、もう一方の対向するものの高さと比較して、低くなっている。図2(a)では、x方向に沿って対向する部分の上面の位置が、y方向に沿って対向する部分の上面の位置よりも低くなっている。 The four portions of the core 11 that stand up parallel to the z direction have the same height. Then, the height of one of the opposed objects is lower than the height of the other opposed object. In FIG. 2A, the position of the upper surface of the portion facing along the x direction is lower than the position of the upper surface of the portion facing along the y direction.
コア11におけるy方向に沿って対向する2つの部分、すなわち上面の位置が高い方の2つの部分は、先端部における中心軸に平行な内側の側面が、球面凹形状に形成されている。球面凹形状の詳細な大きさは、後述するように可動部30がx軸に基づき回転するときの端部の軌道に対し、一定のギャップ(隙間)を形成するように決められる。
Two portions of the core 11 that face each other in the y direction, that is, two portions whose upper surface is higher, have inner side surfaces parallel to the central axis of the tip portion formed in a spherical concave shape. The detailed size of the spherical concave shape is determined so as to form a constant gap (gap) with respect to the end track when the
コア11におけるx方向に沿って対向する2つの部分、すなわち上面の位置が低い方の2つの部分は、先端部に、延長磁極16・17がそれぞれ設けられるとともに、非磁性体18・19がそれぞれ設けられている。
The two portions of the core 11 facing in the x direction, that is, the two portions having lower upper surface positions, are provided with extended
延長磁極16・17は、コア11と同一の材料からなり、低い方の上面と一体面となるように、先端から内側かつx方向に伸びた形状で形成されている。延長磁極16・17における、内側に位置し固定されていない端部は、内側の側面が球面凹形状に形成されている。球面凹形状の詳細な大きさは、後述するように可動部30がy軸に基づき回転するときの端部の軌道に対し、一定のギャップ(隙間)を形成するように決められる。
The extended
非磁性体18・19は、低い方の上面を底面として所定の高さを有する角柱の形状を有している。非磁性体18・19の高さは、固定部10に磁束が流れないほど充分な磁気抵抗を有するギャップを確保できる高さが必要である。または、後述の可動部30のトーションバー35・36を非磁性体とする。
The
永久磁石20は、円柱形状を有しており、コア11における上面視で十字型が交わった部分の上に、中心軸と同心になるように設けられている。そして、永久磁石20は、S極が下側、N極が上側に位置するように固定部10の中心に設けられ、z軸方向に着磁されている(例えば残留磁束密度1.4T)。
The
磁性体支柱21は、先端が円錐状の円柱形状を有している。磁性体支柱21は、尖端が上側に位置するように、永久磁石20の上に設けられている。この尖端により、可動部30が回転可能に支持される。
The
図2(b)に示すように、可動部30は、外側磁性体31、内側磁性体32、並びに4つのトーションバー33〜36により構成されている。なお、可動部30では、ミラーが、内側磁性体32の中央部分の上に設けられているが、図示は省略している。ミラーは、内側磁性体32の表面領域に収まるような形状であればよい。
As shown in FIG. 2 (b), the
外側磁性体31は、上面視で中空長方形の形状を有している。そして、長手方向の外側の両側面に、トーションバー35・36がそれぞれ設けられている。
The outer
内側磁性体32は、上面視で長方形の形状を有している。そして、長手方向の両側面に、トーションバー33・34がそれぞれ設けられている。また、トーションバー33・34は、一方の端が内側磁性体32にそれぞれ接続されるとともに、他方の端が、外側磁性体31の短手方向の内側の両側面にそれぞれ接続されている。つまりは、トーションバー35・36により回転する第1回転軸と、トーションバー33・34により回転する第2回転軸とが、同一平面上で直交している。
The inner
外側磁性体31、内側磁性体32、並びに、内側に位置するトーションバー33・34は、磁性材料(SUY)からなる。外側に位置するトーションバー35・36は、非磁性体である。
The outer
このように、可動部30では、トーションバー35・36により、外側磁性体31、トーションバー33・34、並びに内側磁性体32が回転するとともに、外側磁性体31の内側で、トーションバー33・34により、内側磁性体32が回転するように構成されている。よって、可動部30は、平面状の板バネとなるように、2軸のジンバル機構により回転する構成を有している。また、可動部30は、第1回転軸と第2回転軸との直交点に、重心が位置するように構成されている。
Thus, in the
上記構成を有する固定部10および可動部30は、図1に示すように、磁性体支柱21の尖端に、内側磁性体32の中心が当てられて、可動部30が固定部10に支持される。すなわち、磁性体支柱21の中心軸上に直交点が位置するように支持される。またこのとき、トーションバー35・36による第1回転軸が、上記第1平面に位置し、トーションバー33・34による第2回転軸が、上記第2平面に位置するとともに、ミラーが上側に露出している。
As shown in FIG. 1, the fixed
さらに、可動部30を固定部10に載せたとき、トーションバー35・36は、非磁性体18・19に接触している。一方、外側磁性体31の端部は、コア11と接触せず、内側磁性体32の端部は、延長磁極16・17と接触しない。
Furthermore, when the
ここで、光スキャナ1における各幅の一例について、以下に挙げる。
コア11の下面から非磁性体18の上面までの高さ:11mm
コア11における上面の位置が高い方の2つの部分の最外形の幅:29mm
コア11における上面の位置が低い方の2つの部分の最外形の幅:33mm
可動部30の厚み:0.2mm
外側磁性体31の長手方向の長さ:23mm
内側磁性体32の長手方向の長さ:6.6mm。
Here, an example of each width in the optical scanner 1 will be described below.
Height from the lower surface of the core 11 to the upper surface of the nonmagnetic material 18: 11 mm
The width of the outermost shape of the two parts having the higher upper surface position in the core 11: 29 mm
The width of the outermost shape of the two parts having the lower upper surface position in the core 11: 33 mm
Length in the longitudinal direction of the outer magnetic body 31: 23 mm
The length of the inner
(二次元電磁共振型光スキャナの動作原理)
次に、上記構成を有する光スキャナ1の動作原理について説明する。光スキャナ1は、x軸まわりの動作と、y軸まわりの動作とに大別され、コイル12〜15に電圧が与えられることにより駆動される。
(Operation principle of two-dimensional electromagnetic resonance type optical scanner)
Next, the operation principle of the optical scanner 1 having the above configuration will be described. The optical scanner 1 is roughly divided into an operation around the x-axis and an operation around the y-axis, and is driven by applying a voltage to the
図3は、図1に示した光スキャナ1のP断面を示すものであり、x軸まわりの駆動原理を説明するための図である。 FIG. 3 shows a cross section of the optical scanner 1 shown in FIG. 1, and is a view for explaining the driving principle around the x-axis.
コイル12・13に電圧が与えられていない停止状態では、図2(a)に示すように、永久磁石20により、コア11の先端部に磁極A〜磁極Dがそれぞれ形成される。これにより、図3に実線で示すように、永久磁石20による磁束(定常磁束)が、中心軸に対し左右対称であって、異なる向きに発生している。詳細には、一方の磁束は、永久磁石20のN極から、磁性体支柱21、可動部30(詳細には、内側磁性体32、トーションバー34、および外側磁性体31)、並びに、コイル12が設けられている側のコア11を順次経由して、永久磁石20のS極に向かう方向に発生している。他方の磁束は、永久磁石20のN極から、磁性体支柱21、可動部30(詳細には、内側磁性体32、トーションバー33、および外側磁性体31)、並びに、コイル13が設けられている側のコア11を順次経由して、永久磁石20のS極に向かう方向に発生している。よって、磁束は、左右均等に流れ、バランスが保たれている。
In a stopped state where no voltage is applied to the
続いて、コイル12・13に交流電圧(正弦波交流電圧)を与え、図3に示すような方向でコイル12・13に交流電流を流す。この駆動状態では、破線で示すように、コイル12・13に流れる電流により磁束(駆動磁束、第2磁束)が発生する。詳細には、コイル12が設けられている側のコア11から、可動部30(詳細には、外側磁性体31、トーションバー34、内側磁性体32、トーションバー33、および外側磁性体31)を経由して、コイル13が設けられている側のコア11に向かう方向に、磁束が発生する。
Subsequently, an AC voltage (sinusoidal AC voltage) is applied to the
それゆえ、コイル13が設けられている側のコア11側(図中の右側)では、磁束が合成して強められる。一方、コイル12が設けられている側のコア11側(図中の左側)では、磁束が打ち消しあって弱められる。よって、可動部30と固定部10との間の吸引力は、一方では増加して、他方では減少する。これにより、左右のバランスが崩れ、電磁トルクが発生し、可動部30が、コイル13が設けられている側に回転する。
Therefore, the magnetic flux is synthesized and strengthened on the core 11 side (the right side in the drawing) on which the
また、交流電流が反転すると、磁束が逆向きに発生するので、可動部30は、反対方向、すなわちコイル12が設けられている側に回転する。このように、コイル12・13に交流電流を流すことにより、可動部30は、トーションバー35・36からなる第1回転軸を用いて、ねじれ運動を繰り返す。
Further, when the alternating current is reversed, the magnetic flux is generated in the opposite direction, so that the
図4は、図1に示した光スキャナ1のQ断面を示すものであり、y軸まわりの駆動原理を説明するための図である。 FIG. 4 shows a Q section of the optical scanner 1 shown in FIG. 1, and is a diagram for explaining the driving principle around the y-axis.
コイル14・15に電圧が与えられていない停止状態では、実線で示すように、永久磁石20により、磁束(定常磁束)が、中心軸に対し左右対称であって、両側で異なる向きに発生している。詳細には、一方の磁束は、永久磁石20のN極から、磁性体支柱21、可動部30(詳細には内側磁性体32)、延長磁極16、および、コイル14が設けられている側のコア11を順次経由して、永久磁石20のS極に向かう方向に発生している。他方の磁束は、永久磁石20のN極から、磁性体支柱21、可動部30(詳細には内側磁性体32)、延長磁極17、および、コイル15が設けられている側のコア11を順次経由して、永久磁石20のS極に向かう方向に発生している。よって、磁束は、左右均等に流れ、バランスが保たれている。
In a stopped state in which no voltage is applied to the
続いて、コイル14・15に交流電圧を与え、図4に示すような方向でコイル14・15に交流電流を流す。この駆動状態では、破線で示すように、コイル14・15に流れる電流により磁束(駆動磁束、第1磁束)が発生する。詳細には、コイル14が設けられている側のコア11から、延長磁極16、可動部30(詳細には内側磁性体32)、および、延長磁極17を順次経由して、コイル15が設けられている側のコア11に向かう方向に、磁束が発生する。
Subsequently, an AC voltage is applied to the
それゆえ、コイル15が設けられている側のコア11側(図中の右側)では、磁束が合成して強められる。一方、コイル14が設けられている側のコア11側(図中の左側)では、磁束が打ち消しあって弱められる。よって、可動部30と固定部10との間の吸引力は、一方では増加して、他方では減少する。これにより、左右のバランスが崩れ、電磁トルクが発生し、可動部30が、コイル15が設けられている側に回転する。
Therefore, the magnetic flux is synthesized and strengthened on the core 11 side (the right side in the figure) where the
また、交流電流が反転すると、磁束が逆向きに発生するので、可動部30は、反対方向、すなわちコイル14が設けられている側に回転する。このように、コイル14・15に交流電流を流すことにより、可動部30は、トーションバー33・34からなる第2回転軸を用いて、ねじれ運動を繰り返す。
Further, when the alternating current is reversed, magnetic flux is generated in the opposite direction, so that the
このように、光スキャナ1では、コイル12〜15に与えられた電流の方向に応じて、可動部30が、x軸まわりとy軸まわりとにおいて回転する(ねじれ運動を行う)。よって、可動部30に設けられたミラーも共に回転するので、ミラーを二次元に回転させることが可能となる。
As described above, in the optical scanner 1, the
つまりは、永久磁石20によって生じる磁束と、コイル12〜15に電圧を印加することにより生じる磁束との合成により、コア11と可動部30との間のギャップ部の磁束バランスを崩し、可動部30である磁性体の板バネと、コア11である固定鉄心との間に、電磁トルクを生じさせている。
That is, by combining the magnetic flux generated by the
また、コイル12〜15に与える交流電圧を、可動部30の共振周波数に合わせた周波数とすることによって、可動部30の機械共振を発生させ、回転角度を増幅することが可能となる。
Further, by setting the AC voltage applied to the
なお、コイル12〜15には、交流電圧に限らず、直流電圧を与えることもできる。直流電圧を与える場合は、コイルにより発生する磁束が一定方向に固定されるので、可動部30を回転した状態、すなわち所定の傾きで安定させることが可能となる。直流電圧の値に応じて、可動部30の回転角度を制御することが可能となる。
In addition, not only an alternating voltage but a direct voltage can also be given to the coils 12-15. When a DC voltage is applied, since the magnetic flux generated by the coil is fixed in a certain direction, it is possible to stabilize the
(二次元電磁共振型光スキャナの使用例)
次に、光スキャナ1の用途に応じた使用例について説明する。光スキャナ1は、例えば、レーザープリンタや、各種光計測機器、携帯型プロジェクターなどの情報機器などに応用される。各種機器において、光スキャナ1は、対象領域を光で走査する。
(Usage example of two-dimensional electromagnetic resonance type optical scanner)
Next, a usage example corresponding to the application of the optical scanner 1 will be described. The optical scanner 1 is applied to, for example, information devices such as laser printers, various optical measuring devices, and portable projectors. In various devices, the optical scanner 1 scans a target area with light.
2次元の走査の場合、何れか一方の方向を高速に走査するとともに、他方の方向を低速に走査することが多い。例えば、主走査方向と副走査方向とを決めて、対象領域を走査する方法がある。つまりは、主走査方向を1行走査すると、副走査方向を1行移動し、その行を主走査方向に走査することを繰り返すことにより、全体を走査する方法である。このような方法では、主走査方向では、ミラーを高速に回転させ、副走査方向では、ミラーを低速または段階的に回転させることが望まれる。 In the case of two-dimensional scanning, one of the directions is often scanned at a high speed and the other direction is scanned at a low speed. For example, there is a method of scanning the target area by determining the main scanning direction and the sub-scanning direction. That is, when one line is scanned in the main scanning direction, the entire scanning is performed by repeatedly moving the sub scanning direction by one line and scanning that line in the main scanning direction. In such a method, it is desirable to rotate the mirror at high speed in the main scanning direction and to rotate the mirror at low speed or stepwise in the sub-scanning direction.
光スキャナ1では、y軸まわりの回転を主走査方向に適用し、x軸まわりの回転を副走査方向に適用する。すなわち、高速回転が必要な方向は、y軸まわりの回転を使用することが望ましい。これは、y軸まわりの回転では、可動部30において小型の内側磁性体32のみが回転するので、高周波数で高速に回転させやすいためである。
In the optical scanner 1, rotation around the y axis is applied in the main scanning direction, and rotation around the x axis is applied in the sub scanning direction. That is, it is desirable to use rotation around the y-axis for the direction that requires high-speed rotation. This is because, when rotating around the y-axis, only the small inner
この場合、コイル14・15に、可動部30の共振周波数に合わせた高周波数の交流電圧を与えるとともに、コイル12・13には、段階的に変化する直流電圧を与える。これにより、コイル14・15による磁束は、可動部30に高速なねじれ運動を繰り返させ、共振駆動を行わせる。また、コイル12・13による磁束は、可動部30を段階的に回転させる。よって、主走査方向では、ミラーを高速に回転させて、高速走査を可能とし、副走査方向では、ミラーを段階的に回転させることが可能となる。
In this case, a high-frequency AC voltage that matches the resonance frequency of the
以上のように、光スキャナ1は、固定部10に回転可能に支持された可動部30のミラーで入射光を反射させることにより、光を走査させる光スキャナである。可動部30は、2軸のジンバル機構によりミラーとともに回転する構成を有している。固定部10は、永久磁石20によって発生する定常磁束と、コイル12〜15に電流を流すことによって発生する駆動磁束との合成により、可動部30を回転させる電磁トルクを発生させる構成を有している。可動部30をy軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、可動部30の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧がコイル14・15に与えられることにより発生する。可動部30をx軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、段階的に変化する直流電圧がコイル12・13に与えられることにより発生する。
As described above, the optical scanner 1 is an optical scanner that scans light by reflecting incident light with the mirror of the
より詳細には、
可動部30は、
トーションバー35・36により回転する第1回転軸、および、第1回転軸に直交し別のトーションバー33・34により回転する第2回転軸が同一平面上にあるジンバル機構により回転し、第1回転軸と第2回転軸との直交点を含むように形成された内側磁性体32と、
内側磁性体32に設けられたミラーと、を備えている。
また、可動部30は、直交点に重心が位置するように構成されている。
固定部10は、
自身の中心軸上に上記直交点が位置し、中心軸を含む第1平面上に上記第1回転軸が位置し、中心軸を含みかつ第1平面に直交する第2平面上に上記第2回転軸が位置するとともに、ミラーが上側に露出するように、可動部30を回転可能に支持する磁性体支柱21と、
磁性体支柱21の可動部30を支持する側とは反対側の面に固定された永久磁石20と、
上記第1平面において中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有するとともに、上記第2平面において中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有し、磁性体支柱21が上側に位置するように永久磁石20が固定されたコア11と、
電流が流れることで、コア11の上記第1平面の断面形状をなす部分を通る第1磁束(駆動磁束)を発生させるように、コア11に巻き付けられたコイル14・15と、
電流が流れることで、コア11の上記第2平面の断面形状をなす部分を通る第2磁束(駆動磁束)を発生させるように、コア11に巻き付けられたコイル12・13と、を備えている。
コイル14・15には、可動部30の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧が与えられる。コイル12・13には、段階的に変化する直流電圧が与えられる。
More specifically,
The
The first rotation axis rotated by the torsion bars 35 and 36 and the second rotation axis orthogonal to the first rotation axis and rotated by the
And a mirror provided on the inner
The
The fixing
The orthogonal point is located on its own central axis, the first rotation axis is located on a first plane including the central axis, and the second is on a second plane including the central axis and orthogonal to the first plane. A
A
The first plane has a U-shaped cross-sectional shape with an upper side opened symmetrically with respect to the central axis, and the U-shaped cross-sectional shape with an upper side opened symmetrically with respect to the central axis in the second plane. And the core 11 to which the
The
上記の光スキャナ1の構成によれば、コア11には、永久磁石20により、第1平面において中心軸に対し左右対称な位置に磁極C・Dが形成されるとともに、第2平面において中心軸に対し左右対称な位置に磁極A・Bが形成される。これにより、第1平面では、永久磁石20から磁性体支柱21および可動部30を順次経由して磁極C・Dに向かう方向の磁束(定常磁束)が、中心軸に対し左右対称に発生する。また、第2平面では、永久磁石20から磁性体支柱21および可動部30を順次経由して磁極A・Bに向かう方向の磁束(定常磁束)が、中心軸に対し左右対称に発生する。よって、第1磁束および第2磁束は、永久磁石20により磁束が発生している状態において発生することになる。
According to the configuration of the optical scanner 1 described above, the magnetic poles C and D are formed on the core 11 at positions symmetrical to the central axis in the first plane by the
第1平面において説明すると、コア11は、中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有しているので、第1磁束は、コア11および可動部30を通るように発生する。このため、コイル14・15による第1磁束は、片側の永久磁石20による磁束とは打ち消しあって弱くなり、もう片側の永久磁石20による磁束とは合成して強くなる。よって、可動部30と固定部10との間の吸引力が、一方では増加して、他方では減少する。これにより、電磁トルクが発生し、可動部30が回転する。
Explaining in the first plane, the
また、第1磁束は、コイル14・15に交流電圧が与えられることにより発生するので、その発生方向は交互に切り替わる。これにより、可動部30はねじれ運動を繰り返す。そして、交流電圧の周波数は、可動部30の共振周波数に合わせられていることにより、可動部30は共振駆動を行うので、回転角度(偏向角度)を増幅することが可能となっている。
Moreover, since the first magnetic flux is generated when an AC voltage is applied to the
第2平面においても、同様の原理により可動部30が回転する。そして、第2磁束は、コイル12・13に段階的に変化する直流電圧が与えられることにより発生するので、発生方向は一定で、磁束の強さが段階的に変化する。これにより、可動部30は段階的に回転する。
Also in the second plane, the
このように、可動部30が、ジンバル機構の板バネのトーションバーによるねじれ共振と電磁力とを利用して、大きな角度で二次元で回転することにより、ミラーも大きな角度で二次元で回転することが可能となる。また、従来のポリゴンミラー型の二次元光スキャナと比較して、モータを用いていないので、小型化が可能となる。したがって、小型化を実現するとともに、二次元で高トルクを発生させることにより、二次元の高速で大きな偏向角度を得ることが可能となる。
Thus, the
また、光スキャナ1では、コア11の中心軸に平行な内側の面は、可動部30が回転するときの端部の軌道に対し一定の隙間を形成するような形状を有している。さらに、光スキャナ1では、コア11の中心軸に平行な内側の面に、可動部30が回転するときの端部の軌道に対し一定の隙間を形成するような形状の延長磁極16・17が設けられている。これにより、可動部30と固定部10との隙間が一定となるので、永久磁石20から、磁性体支柱21および可動部30を順次経由して、各磁極A〜Dに向かう方向の磁束を、効率良く発生させることが可能となる。よって、トルクの減少を防止し、大きな偏向角度を確保することが可能となる。
Further, in the optical scanner 1, the inner surface parallel to the central axis of the
なお、光スキャナ1では、コア11の中心軸に平行な内側の面は、上述した形状に限るものではなく、例えば、内側に下りるような階段形状を有していてもよい。これによれば、段階的に変化する直流電圧が与えられて、磁束の強さが段階的に変化することにより、可動部30が段階的に回転する場合、各段階において、可動部30を安定して落着させることが可能となる。
In the optical scanner 1, the inner surface parallel to the central axis of the
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.
本発明は、光スキャナに関する分野に好適に用いることができるだけでなく、光スキャナの制御方法や光スキャナの製造方法に関する分野にも好適に用いることができ、さらには、光スキャナを備える各種電子機器、例えば、レーザープリンタ、バーコードリーダ、空間エリアセンサ、レーザマーカ、光VOA、光無線通信機、画像表示器、並びに、3次元形状測定器やレーザ寸法測定器などの光計測機器などの分野にも幅広く用いることができる。 The present invention is not only suitable for use in the field relating to optical scanners, but can also be suitably used in the field relating to methods for controlling optical scanners and methods for producing optical scanners. , For example, in the fields of laser printers, bar code readers, spatial area sensors, laser markers, optical VOAs, optical wireless communication devices, image displays, and optical measuring instruments such as three-dimensional shape measuring instruments and laser dimension measuring instruments Can be used widely.
1 二次元電磁共振型光スキャナ(光スキャナ)
10 固定部
11 コア(磁性体本体)
12,13 コイル(第2コイル)
14,15 コイル(第1コイル)
16,17 延長磁極(延長磁性体)
18,19 非磁性体
20 永久磁石
21 磁性体支柱
30 可動部
31 外側磁性体
32 内側磁性体(磁性板)
33,34 トーションバー
35,36 トーションバー
1 Two-dimensional electromagnetic resonance type optical scanner (optical scanner)
10
12, 13 coil (second coil)
14, 15 coil (first coil)
16, 17 Extended magnetic pole (extended magnetic body)
18, 19
33, 34
Claims (5)
上記可動部は、2軸のジンバル機構により上記反射面とともに回転する構成を有し、
上記固定部は、永久磁石によって発生する定常磁束と、コイルに電流を流すことによって発生する駆動磁束との合成により、上記可動部を回転させる電磁トルクを発生させる構成を有し、
上記可動部を一方の軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、上記可動部の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧が上記コイルに与えられることにより発生し、
上記可動部を他方の軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、段階的に変化する直流電圧が上記コイルに与えられることにより発生していることを特徴とする光スキャナ。 In an optical scanner that scans light by reflecting incident light on a reflecting surface of a movable part that is rotatably supported by a fixed part,
The movable part has a configuration that rotates together with the reflecting surface by a biaxial gimbal mechanism,
The fixed portion has a configuration for generating an electromagnetic torque for rotating the movable portion by combining a stationary magnetic flux generated by a permanent magnet and a driving magnetic flux generated by passing a current through a coil.
A driving magnetic flux for generating an electromagnetic torque for rotating the movable part on one axis is generated by applying an AC voltage having a frequency in accordance with a resonance frequency of the movable part to the coil,
An optical scanner characterized in that a driving magnetic flux for generating an electromagnetic torque for rotating the movable portion on the other shaft is generated by applying a DC voltage that changes stepwise to the coil.
上記可動部は、
トーションバーにより回転する第1回転軸、および、該第1回転軸に直交し別のトーションバーにより回転する第2回転軸が同一平面上にあるジンバル機構により回転し、該第1回転軸と該第2回転軸との直交点を含むように形成された磁性板と、
上記磁性板に設けられた上記反射面とを備え、上記直交点に重心が位置するように構成されており、
上記固定部は、
自身の中心軸上に上記直交点が位置し、該中心軸を含む第1平面上に上記第1回転軸が位置し、該中心軸を含みかつ該第1平面に直交する第2平面上に上記第2回転軸が位置するとともに、上記反射面が上側に露出するように、上記可動部を回転可能に支持する磁性体支柱と、
上記磁性体支柱の上記可動部を支持する側とは反対側の面に固定された永久磁石と、
上記第1平面において上記中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有するとともに、上記第2平面において上記中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有し、上記磁性体支柱が上側に位置するように上記永久磁石が固定された磁性体本体と、
電流が流れることで、上記磁性体本体の上記第1平面の断面形状をなす部分を通る第1磁束を発生させるように、該磁性体本体に巻き付けられた第1コイルと、
電流が流れることで、上記磁性体本体の上記第2平面の断面形状をなす部分を通る第2磁束を発生させるように、該磁性体本体に巻き付けられた第2コイルとを備え、
上記第1コイルには、上記可動部の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧が与えられ、上記第2コイルには、段階的に変化する直流電圧が与えられることを特徴とする光スキャナ。 In an optical scanner that scans light by reflecting incident light on a reflecting surface of a movable part that is rotatably supported by a fixed part,
The movable part is
A first rotation axis rotated by a torsion bar and a second rotation axis orthogonal to the first rotation axis and rotated by another torsion bar are rotated by a gimbal mechanism on the same plane, and the first rotation axis and the A magnetic plate formed so as to include a point perpendicular to the second rotation axis;
And the reflection surface provided on the magnetic plate, and is configured such that the center of gravity is located at the orthogonal point,
The fixed part is
The orthogonal point is located on its own central axis, the first rotational axis is located on a first plane including the central axis, and on a second plane including the central axis and orthogonal to the first plane. A magnetic column that rotatably supports the movable part such that the second rotating shaft is located and the reflective surface is exposed upward;
A permanent magnet fixed to a surface opposite to the side supporting the movable part of the magnetic column;
The first plane has a U-shaped cross-sectional shape that is open on the upper side that is symmetrical with respect to the central axis, and the upper surface that is symmetrical with respect to the central axis on the second plane. A magnetic body having a cross-sectional shape and having the permanent magnet fixed so that the magnetic column is positioned on the upper side;
A first coil wound around the magnetic body so as to generate a first magnetic flux that passes through a portion of the magnetic body that forms the cross-sectional shape of the first plane when an electric current flows;
A second coil wound around the magnetic body so as to generate a second magnetic flux that passes through a portion of the magnetic body that forms the cross-sectional shape of the second plane when an electric current flows;
An optical scanner, wherein an AC voltage having a frequency matched to a resonance frequency of the movable part is applied to the first coil, and a DC voltage that changes stepwise is applied to the second coil.
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014098850A (en) * | 2012-11-15 | 2014-05-29 | Toyota Central R&D Labs Inc | MEMS device |
CN104908457A (en) * | 2015-06-15 | 2015-09-16 | 苏州石丸英合精密机械有限公司 | Pneumatic feeding mechanism of automatic keyboard laser marking machine |
WO2019208375A1 (en) * | 2018-04-27 | 2019-10-31 | パイオニア株式会社 | Light deflector |
US10627617B2 (en) | 2015-11-12 | 2020-04-21 | Robert Bosch Gmbh | Micromechanical constituent and method for adjusting an adjustable element |
CN111488000A (en) * | 2020-05-01 | 2020-08-04 | 西安交通大学 | Cascade amplification two-dimensional pointing adjustment device and method with embedded deflection angle sensing unit |
-
2008
- 2008-10-29 JP JP2008278781A patent/JP2010107666A/en active Pending
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014098850A (en) * | 2012-11-15 | 2014-05-29 | Toyota Central R&D Labs Inc | MEMS device |
US9477078B2 (en) | 2012-11-15 | 2016-10-25 | Kabushiki Kaisha Toyota Chuo Kenkyusho | MEMS device |
CN104908457A (en) * | 2015-06-15 | 2015-09-16 | 苏州石丸英合精密机械有限公司 | Pneumatic feeding mechanism of automatic keyboard laser marking machine |
US10627617B2 (en) | 2015-11-12 | 2020-04-21 | Robert Bosch Gmbh | Micromechanical constituent and method for adjusting an adjustable element |
WO2019208375A1 (en) * | 2018-04-27 | 2019-10-31 | パイオニア株式会社 | Light deflector |
CN111488000A (en) * | 2020-05-01 | 2020-08-04 | 西安交通大学 | Cascade amplification two-dimensional pointing adjustment device and method with embedded deflection angle sensing unit |
CN111488000B (en) * | 2020-05-01 | 2021-04-27 | 西安交通大学 | Cascade amplification two-dimensional pointing adjustment device and method with embedded deflection angle sensing unit |
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