JP2011175177A - Optical scanning device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enlarge a scanning zone in an optical scanning device constructing a three-degree-of-freedom coupled vibration system. <P>SOLUTION: In the optical scanning device 1, the three-degree-of-freedom coupled vibration system, which performs torsional vibration with a large rotation angle when a specific periodic external force is applied, is composed of a mirror 13, an inner gimbal 12, an outer gimbal 11, a support part 3, elastic coupling parts 16a and 16b, elastic coupling parts 15a and 15b, and elastic coupling parts 14a and 14b. When a voltage is applied between comb electrode parts 17, 19 and comb electrode parts 4a, 4b, so that the specific periodic external force works on the outer gimbal 11, a three-degree-of-freedom torsional vibrator is set to a resonance condition. Subsequently the optical scanning device 1 is constructed in such a way that inequality ä(torsion spring constant K1 of mirror 13)/(moment I1 of inertia of mirror 13)¾>¾(torsion spring constant K3 of outer gimbal 11)/(moment I3 of inertia of outer gimbal 11)} holds for the purpose of enlarging an amplitude angle of the mirror 13. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、光ビームを走査する光走査装置に関する。   The present invention relates to an optical scanning device that scans a light beam.

近年、光走査装置の小型化を目的として、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を利用した光走査装置が種々提案されている(例えば、特許文献1参照)。
これに対して本願出願人は、鏡面部が表面に形成された第3フレームと、第3フレームに対し所定の隙間を介して設けられた第2フレームと、第2フレームに対し所定の隙間を介して設けられた第1フレームと、第1フレームに対し所定の隙間を介して設けられた第0フレームとを備え、さらに、第3フレームと第2フレームと第1フレームとをそれぞれの回転軸を中心に捩じり振動可能に構成されることで、3自由度連成振動系を構成した光走査装置を提案している(例えば、特許文献2参照)。
In recent years, various optical scanning devices using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology have been proposed for the purpose of downsizing the optical scanning device (see, for example, Patent Document 1).
In contrast, the applicant of the present application provides a third frame having a mirror surface portion formed on the surface, a second frame provided with a predetermined gap with respect to the third frame, and a predetermined gap with respect to the second frame. And a 0th frame provided with a predetermined gap with respect to the first frame, and the third frame, the second frame, and the first frame are respectively connected to the respective rotation shafts. An optical scanning device having a three-degree-of-freedom coupled vibration system has been proposed (see, for example, Patent Document 2).

このように構成された光走査装置では、第1フレームに固有の周期的加振力を作用させることにより、3自由度捻り振動子を共振状態にできる。そして、第2フレームと第3フレームそれぞれの振動に対応した周期的加振力を重畳して与えることにより、第2フレームと第3フレームをそれぞれ異なる周波数および振幅で振動させ、さらに第3フレームの鏡面部で光を反射させることで、光を2次元走査することができる。   In the optical scanning device configured as described above, the three-degree-of-freedom torsional vibrator can be brought into a resonance state by applying an inherent periodic excitation force to the first frame. Then, by superimposing periodic excitation forces corresponding to the vibrations of the second frame and the third frame, the second frame and the third frame are vibrated at different frequencies and amplitudes, respectively. The light can be scanned two-dimensionally by reflecting the light at the mirror surface.

特開2006−167860号公報JP 2006-167860 A 特開2008−129068号公報JP 2008-129068 A

しかし、特許文献2に記載の光走査装置では、第1フレームのみへの加振で、第2フレームと第3フレームの2つのフレームを振動させるため、走査範囲が小さいという問題があった。   However, the optical scanning device described in Patent Document 2 has a problem that the scanning range is small because the two frames of the second frame and the third frame are vibrated by the vibration of only the first frame.

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、3自由度連成振動系を構成した光走査装置において走査範囲を大きくすることを目的とする。   The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to increase the scanning range in an optical scanning device configured with a three-degree-of-freedom coupled vibration system.

上記目的を達成するためになされた請求項1に記載の光走査装置は、光ビームを反射させる反射面を有する反射部と、反射部に連結された弾性変形可能な第1弾性連結部を有し、第1弾性連結部を回転軸として反射部を揺動可能に支持する第1支持部と、第1支持部に連結された弾性変形可能な第2弾性連結部を有し、第2弾性連結部を回転軸として第1支持部を揺動可能に支持する第2支持部と、第2支持部に連結された弾性変形可能な第3弾性連結部を有し、第3弾性連結部を回転軸として第2支持部を揺動可能に支持する第3支持部とを備えて、反射部、第1支持部、第2支持部、第3支持部、第1弾性連結部、第2弾性連結部、及び第3弾性連結部が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する3自由度連成振動系を構成する。   In order to achieve the above object, an optical scanning device according to claim 1, further comprising: a reflecting portion having a reflecting surface for reflecting the light beam; and an elastically deformable first elastic connecting portion connected to the reflecting portion. A first support portion that supports the reflection portion in a swingable manner with the first elastic connection portion as a rotation axis, and a second elastic connection portion that is elastically deformable connected to the first support portion, and has a second elasticity. A second support part that pivotably supports the first support part about the connection part as a rotation axis; and a third elastic connection part that is elastically deformable connected to the second support part. A third support portion that pivotally supports the second support portion as a rotation shaft, and includes a reflection portion, a first support portion, a second support portion, a third support portion, a first elastic coupling portion, and a second elasticity. The coupling part and the third elastic coupling part are coupled with three degrees of freedom torsionally vibrate at a large rotation angle when an inherent periodic external force is applied. Constitute the dynamic system.

このため、請求項1に記載の光走査装置は、第3支持部を固定端として、第1弾性連結部,第2弾性連結部,第3弾性連結部に対しての捻り自由度を持つ3自由度捻り振動子になっている。   For this reason, the optical scanning device according to claim 1 has a torsional freedom degree with respect to the first elastic connecting portion, the second elastic connecting portion, and the third elastic connecting portion with the third support portion as a fixed end. A torsional vibrator with a degree of freedom.

3自由度捻り振動子は、理論上3つの振動モードを持つ。すなわち、3つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対する反射部、第1支持部、および第2支持部の捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる(これは振動モードと呼ばれる)。したがって、或る振動モードにおいて、第2支持部の角度振幅が大きくなると、この振動モードにおける角度振幅の比に応じて、反射部および第1支持部の角度振幅が大きくなる。   A three-degree-of-freedom torsional vibrator theoretically has three vibration modes. That is, the three vibration modes have different resonance frequencies, and the ratios of the angular amplitudes of the torsional vibrations of the reflection part, the first support part, and the second support part with respect to each resonance frequency are different (this is called a vibration mode). . Therefore, when the angular amplitude of the second support portion increases in a certain vibration mode, the angular amplitude of the reflection portion and the first support portion increases according to the ratio of the angular amplitude in the vibration mode.

そして、外力作用手段が、3自由度連成振動系に固有の周期的外力を作用させる。これにより、3自由度捻り振動子を共振状態にできる。
また、3つの振動モードの各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。
Then, the external force application means applies a periodic external force unique to the three-degree-of-freedom coupled vibration system. As a result, the torsional vibrator having three degrees of freedom can be brought into a resonance state.
Further, if a periodic excitation force having a frequency corresponding to each of the three vibration modes is given, each vibration mode can be excited. In addition, if a plurality of periodic excitation forces with a plurality of frequencies are superimposed and applied, a plurality of vibration modes can be excited simultaneously.

したがって、反射部の角度振幅が大きい振動モードに対応する周期的加振力と、第1支持部の角度振幅が大きい振動モードに対応する周期的加振力とを重畳して与えることにより、反射部で反射するレーザ光を2次元的に走査することができる。   Accordingly, the periodic excitation force corresponding to the vibration mode having a large angular amplitude of the reflecting portion and the periodic excitation force corresponding to the vibration mode having a large angular amplitude of the first support portion are superimposed and given. The laser beam reflected by the part can be scanned two-dimensionally.

図3は、反射部の振幅角と第3弾性連結部のねじれバネ定数との関係の一例を示すグラフである。
図3に示すように、反射部の振幅角の大きさは、第3弾性連結部のねじれバネ定数に応じて大きく変化する。なお図3では、反射部の振幅角の最大値(図3の点P1を参照)が、反射部の振幅角の最小値(図3の点P2を参照)の約3.5倍の大きさとなる。すなわち、第3弾性連結部のねじれバネ定数の値を調整することにより、反射部の振幅角を大きくすることができ、走査範囲を大きくすることができる。
FIG. 3 is a graph showing an example of the relationship between the amplitude angle of the reflecting portion and the torsion spring constant of the third elastic coupling portion.
As shown in FIG. 3, the magnitude of the amplitude angle of the reflecting portion varies greatly according to the torsion spring constant of the third elastic coupling portion. In FIG. 3, the maximum value of the amplitude angle of the reflecting portion (see point P1 in FIG. 3) is about 3.5 times the minimum value of the amplitude angle of the reflecting portion (see point P2 in FIG. 3). Become. That is, by adjusting the value of the torsion spring constant of the third elastic coupling portion, the amplitude angle of the reflection portion can be increased and the scanning range can be increased.

図5は、反射部の振幅角および第1支持部の振幅角と「(第3弾性連結部のねじりバネ定数)/(第2支持部の慣性モーメント)」との関係の一例を示すグラフである。
なお図5において、曲線L1は、第2支持部と反射部との位相角の差が0度(すなわち、同相)となる場合の反射部の振幅角を示し、曲線L2は、第2支持部と反射部との位相角の差が180度(すなわち、逆相)となる場合の反射部の振幅角を示し、曲線L3は、第1支持部の振幅角を示す。また、破線L4は、「(第2弾性連結部のねじりバネ定数)/(第1支持部の慣性モーメント)」の大きさ(図5では、約5E+07)を示し、破線L5は、「(第1弾性連結部のねじりバネ定数)/(反射部の慣性モーメント)」の大きさ(図5では、約1.6E+10)を示す。
FIG. 5 is a graph showing an example of the relationship between the amplitude angle of the reflection portion and the amplitude angle of the first support portion and “(torsion spring constant of the third elastic coupling portion) / (moment of inertia of the second support portion)”. is there.
In FIG. 5, a curved line L1 indicates the amplitude angle of the reflecting part when the phase angle difference between the second supporting part and the reflecting part is 0 degrees (ie, in-phase), and a curved line L2 indicates the second supporting part. Shows the amplitude angle of the reflection portion when the difference in phase angle between the reflection portion and the reflection portion is 180 degrees (that is, reverse phase), and the curve L3 shows the amplitude angle of the first support portion. The broken line L4 indicates the magnitude of “(the torsion spring constant of the second elastic coupling portion) / (the moment of inertia of the first support portion)” (in FIG. 5, about 5E + 07). 1 (torsion spring constant of the elastic connecting portion) / (moment of inertia of the reflecting portion) ”(in FIG. 5, about 1.6E + 10).

図5に示すように、反射部の振幅角は、「(第3弾性連結部のねじりバネ定数)/(第2支持部の慣性モーメント)」が「(第1弾性連結部のねじりバネ定数)/(反射部の慣性モーメント)」未満であるときに最大値になっている。   As shown in FIG. 5, the amplitude angle of the reflection portion is “(torsion spring constant of the third elastic coupling portion) / (moment of inertia of the second support portion)” (“torsion spring constant of the first elastic coupling portion)”. / (Maximum moment of inertia of the reflecting portion) "

このため、反射部の振幅角を大きくするためには、第1弾性連結部のねじれバネ定数、及び第3弾性連結部のねじれバネ定数をそれぞれ、K1,K3とし、反射部の慣性モーメント、及び第2支持部の慣性モーメントをそれぞれ、I1,I3として、下式(1)で表される関係式を満たすように構成されるようにするとよい。   For this reason, in order to increase the amplitude angle of the reflecting portion, the torsion spring constant of the first elastic connecting portion and the torsion spring constant of the third elastic connecting portion are set to K1 and K3, respectively, and the inertia moment of the reflecting portion, and The moment of inertia of the second support portion may be configured to satisfy the relational expression expressed by the following expression (1) as I1 and I3, respectively.

(K1/I1) > (K3/I3) …(1)
図6(a),(b)は、反射部の振幅角および第1支持部の振幅角と「(第3弾性連結部のねじりバネ定数)/(第2支持部の慣性モーメント)」との関係の一例を示すグラフである。
(K1 / I1)> (K3 / I3) (1)
FIGS. 6A and 6B show the amplitude angle of the reflection portion and the amplitude angle of the first support portion and “(torsion spring constant of the third elastic coupling portion) / (inertia moment of the second support portion)”. It is a graph which shows an example of a relationship.

図6(a)に示すように、「(第3弾性連結部のねじりバネ定数)/(第2支持部の慣性モーメント)」に応じて、「(第3弾性連結部のねじりバネ定数)/(第2支持部の慣性モーメント)」が小さい順に、第2支持部と反射部とが逆相になる領域R1(以下、逆相領域R1ともいう)と、第2支持部と反射部とが同相または逆相になる領域R2(以下、不安定領域R2ともいう)と、第2支持部と反射部とが同相になる領域R3(以下、同相領域R3ともいう)とに分割される。   As shown in FIG. 6A, according to “(torsion spring constant of the third elastic coupling portion) / (moment of inertia of the second support portion)”, “(torsion spring constant of the third elastic coupling portion) / In order of increasing (the moment of inertia of the second support portion), the region R1 in which the second support portion and the reflection portion are in reverse phase (hereinafter also referred to as reverse phase region R1), and the second support portion and the reflection portion are arranged. The region is divided into a region R2 (hereinafter also referred to as an unstable region R2) that is in phase or a reverse phase and a region R3 (hereinafter also referred to as an inphase region R3) in which the second support portion and the reflective portion are in phase.

このため、請求項1に記載の光走査装置において、第2支持部と反射部との位相角の差が0度となるように当該光走査装置が捩じり振動することを同相振動、第2支持部と反射部との位相角の差が180度となるように当該光走査装置が捩じり振動することを逆相振動とし、当該光走査装置は、(K3/I3)の値に応じて、同相振動のみが発生する振動状態である同相振動発生状態、逆相振動のみが発生する振動状態である逆相振動発生状態、同相振動または逆相振動が発生する振動状態である不安定振動状態の何れかの状態に遷移する場合には、請求項2に記載のように、不安定振動状態とならない(K3/I3)の値に設定されているようにするとよい。   For this reason, in the optical scanning device according to claim 1, the in-phase vibration and the second oscillation are caused by the torsional vibration of the optical scanning device so that the phase angle difference between the second support portion and the reflection portion becomes 0 degree. 2 The torsional vibration of the optical scanning device so that the difference in phase angle between the support portion and the reflection portion is 180 degrees is referred to as anti-phase vibration, and the optical scanning device has a value of (K3 / I3). Accordingly, in-phase vibration generation state where only in-phase vibration is generated, in-phase vibration generation state where only anti-phase vibration occurs, in-phase vibration generation state, in-phase vibration or vibration state where anti-phase vibration occurs When transitioning to any one of the vibration states, it is preferable that the value is set to a value (K3 / I3) that does not result in an unstable vibration state.

これにより、光走査装置の動作が比較的安定するようになり、光ビーム走査の乱れを抑制することができる。
また図6(b)に示すように、第1支持部の振幅角は、逆相領域R1で最大値になっており、逆相領域R1での第1支持部の振幅角は、同相領域R3での第1支持部の振幅角よりも大きい。
Thereby, the operation of the optical scanning device becomes relatively stable, and the disturbance of the light beam scanning can be suppressed.
Further, as shown in FIG. 6B, the amplitude angle of the first support portion is the maximum value in the reverse phase region R1, and the amplitude angle of the first support portion in the reverse phase region R1 is the same phase region R3. It is larger than the amplitude angle of the first support portion at.

このため、請求項2に記載の光走査装置において、請求項3に記載のように、逆相振動発生状態となる(K3/I3)の値に設定されているようにするとよい。
これにより、第1支持部の振幅角が比較的大きくなる状態で光走査装置を動作させることができ、2次元で光ビーム走査を行う場合に、走査範囲を拡大することができる。
For this reason, in the optical scanning device according to claim 2, it is preferable that the value is set to a value of (K3 / I3) at which the anti-phase vibration is generated as described in claim 3.
Accordingly, the optical scanning device can be operated in a state where the amplitude angle of the first support portion is relatively large, and the scanning range can be expanded when performing light beam scanning in two dimensions.

また、図5に示すように、第1支持部の振幅角は、「(第3弾性連結部のねじりバネ定数)/(第2支持部の慣性モーメント)」が「(第2弾性連結部のねじりバネ定数)/(第1支持部の慣性モーメント)」より大きいときに最大値になっている。   As shown in FIG. 5, the amplitude angle of the first support portion is “(torsion spring constant of the third elastic connecting portion) / (moment of inertia of the second supporting portion)”. The maximum value is obtained when “torsion spring constant) / (moment of inertia of the first support portion)” is greater than “.

このため、第1支持部の振幅角を大きくして、走査範囲を大きくするために、請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の光走査装置において、請求項4に記載のように、第2弾性連結部のねじれバネ定数をK2とし、第1支持部の慣性モーメントをI2として、下式(2)で表される関係式を満たすように構成されるようにするとよい。   Therefore, in order to increase the amplitude angle of the first support portion and increase the scanning range, the optical scanning device according to any one of claims 1 to 3, wherein Furthermore, it is preferable that the torsion spring constant of the second elastic coupling portion is K2 and the moment of inertia of the first support portion is I2, so that the relational expression expressed by the following equation (2) is satisfied.

(K3/I3) > (K2/I2) …(2)   (K3 / I3)> (K2 / I2) (2)

光走査装置1の構成を示す平面図である。1 is a plan view showing a configuration of an optical scanning device 1. FIG. 光走査装置1の電気的構成を示すブロック図である。2 is a block diagram showing an electrical configuration of the optical scanning device 1. FIG. ミラー振幅角と外ジンバル11のねじりバネ定数K3との関係の一例を示すグラフである。6 is a graph showing an example of a relationship between a mirror amplitude angle and a torsion spring constant K3 of the outer gimbal 11. ミラー振幅角または内ジンバル振幅角と「(外ジンバル11のねじりバネ定数K3)/(外ジンバル11の慣性モーメントI3)」との関係の一例を示すグラフである。5 is a graph showing an example of a relationship between a mirror amplitude angle or an inner gimbal amplitude angle and “(torsion spring constant K3 of the outer gimbal 11) / (moment of inertia I3 of the outer gimbal 11)”. ミラー振幅角および内ジンバル振幅角と「(外ジンバル11のねじりバネ定数K3)/(外ジンバル11の慣性モーメントI3)」との関係の一例を示す第1のグラフである。12 is a first graph showing an example of a relationship between a mirror amplitude angle and an inner gimbal amplitude angle and “(torsion spring constant K3 of outer gimbal 11) / (moment of inertia I3 of outer gimbal 11)”. ミラー振幅角および内ジンバル振幅角と「(外ジンバル11のねじりバネ定数K3)/(外ジンバル11の慣性モーメントI3)」との関係の一例を示す第2,3のグラフである。FIG. 5 is a second and third graph showing an example of the relationship between the mirror amplitude angle and the inner gimbal amplitude angle and “(torsion spring constant K3 of the outer gimbal 11) / (moment of inertia I3 of the outer gimbal 11)”.

以下に本発明の実施形態について図面とともに説明する。
図1は、本発明が適用された実施形態の光走査装置1の構成を示す平面図である。
光走査装置1は、例えばSOI(Silicon On Insulator)ウエハを半導体プロセスで加工して製造されたものであり、図1に示すように、光ビームを走査する光ビーム走査部2と、光ビーム走査部2を支持する支持部3と、光ビーム走査部2に回転駆動力を印加する駆動部4と、光ビーム走査部2の回転角度を検出する角度検出部5とを備える。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of an optical scanning device 1 according to an embodiment to which the present invention is applied.
The optical scanning device 1 is manufactured, for example, by processing an SOI (Silicon On Insulator) wafer by a semiconductor process, and as shown in FIG. 1, a light beam scanning unit 2 that scans a light beam, and a light beam scanning. A support unit 3 that supports the unit 2, a drive unit 4 that applies a rotational driving force to the light beam scanning unit 2, and an angle detection unit 5 that detects a rotation angle of the light beam scanning unit 2.

光ビーム走査部2は、外ジンバル11と内ジンバル12とミラー13と弾性連結部14a,14bと弾性連結部15a,15bと弾性連結部16a,16bと、櫛歯電極部17,18,19,20とから構成される。   The light beam scanning unit 2 includes an outer gimbal 11, an inner gimbal 12, a mirror 13, elastic connecting portions 14a and 14b, elastic connecting portions 15a and 15b, elastic connecting portions 16a and 16b, comb electrode portions 17, 18, 19, 20.

これらのうちミラー13は、円形状であり、アルミ薄膜の鏡面部が表面に形成される。また内ジンバル12は、矩形枠状であり、枠内にミラー13が配置される。また外ジンバル11は、矩形枠状であり、枠内に内ジンバル12が配置される。   Among these, the mirror 13 has a circular shape, and a mirror surface portion of an aluminum thin film is formed on the surface. The inner gimbal 12 has a rectangular frame shape, and a mirror 13 is disposed in the frame. The outer gimbal 11 has a rectangular frame shape, and the inner gimbal 12 is arranged in the frame.

また弾性連結部16aは、弾性変形可能な材料で構成されており、内ジンバル12の枠内に配置され、ミラー13と内ジンバル12とを連結する。また弾性連結部16bは、弾性変形可能な材料で構成されており、内ジンバル12の枠内に配置され、ミラー13を挟んで弾性連結部16aと反対側において、ミラー13と内ジンバル12とを連結する。なお、弾性連結部16a及び弾性連結部16bは、ミラー13の重心JSを通る同一直線上に配置されており、ミラー13の回転軸kとなる。これによりミラー13は、回転軸kを中心に捩じり振動可能に構成される。   The elastic connecting portion 16 a is made of an elastically deformable material, and is disposed within the frame of the inner gimbal 12 to connect the mirror 13 and the inner gimbal 12. The elastic connecting portion 16b is made of an elastically deformable material, and is disposed in the frame of the inner gimbal 12. The mirror 13 and the inner gimbal 12 are connected to the opposite side of the elastic connecting portion 16a with the mirror 13 in between. Link. The elastic connecting portion 16 a and the elastic connecting portion 16 b are arranged on the same straight line passing through the center of gravity JS of the mirror 13 and serve as the rotation axis k of the mirror 13. As a result, the mirror 13 is configured to be capable of torsional vibration about the rotation axis k.

また弾性連結部15aは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル11の枠内に配置され、内ジンバル12と外ジンバル11とを連結する。また弾性連結部15bは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル11の枠内に配置され、内ジンバル12を挟んで弾性連結部15aと反対側において、内ジンバル12と外ジンバル11とを連結する。なお、弾性連結部15a及び弾性連結部15bは、ミラー13と内ジンバル12との重心JSを通る同一直線上に配置されており、ミラー13の回転軸jとなる。これにより内ジンバル12は、回転軸jを中心に捩じり振動可能に構成される。   The elastic connecting portion 15 a is made of an elastically deformable material, and is disposed in the frame of the outer gimbal 11 to connect the inner gimbal 12 and the outer gimbal 11. The elastic connecting portion 15b is made of an elastically deformable material, and is arranged in the frame of the outer gimbal 11. The inner gimbal 12 and the outer gimbal 11 are disposed on the opposite side of the inner connecting gimbal 12 from the elastic connecting portion 15a. And The elastic connecting portion 15 a and the elastic connecting portion 15 b are arranged on the same straight line passing through the center of gravity JS of the mirror 13 and the inner gimbal 12 and serve as the rotation axis j of the mirror 13. As a result, the inner gimbal 12 is configured to be capable of torsional vibration about the rotation axis j.

また弾性連結部14aは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル11の上辺11aと支持部3とを連結する。また弾性連結部14bは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル11を挟んで弾性連結部14aと反対側において、外ジンバル11の下辺11bと支持部3とを連結する。なお、弾性連結部14a及び弾性連結部14bは、ミラー13と内ジンバル12と外ジンバル11との重心JSを通る同一直線上に配置されており、外ジンバル11の回転軸iとなる。これにより外ジンバル11は、回転軸iを中心に捩じり振動可能に構成される。   The elastic connecting portion 14 a is made of an elastically deformable material, and connects the upper side 11 a of the outer gimbal 11 and the support portion 3. The elastic connecting portion 14b is made of an elastically deformable material, and connects the lower side 11b of the outer gimbal 11 and the support portion 3 on the opposite side of the elastic connecting portion 14a across the outer gimbal 11. The elastic coupling portion 14 a and the elastic coupling portion 14 b are arranged on the same straight line passing through the center of gravity JS of the mirror 13, the inner gimbal 12, and the outer gimbal 11, and serve as the rotation axis i of the outer gimbal 11. As a result, the outer gimbal 11 is configured to be torsionally vibrated around the rotation axis i.

また櫛歯電極部17は、外ジンバル11の左辺11cに沿って櫛歯状に形成されている。さらに櫛歯電極部18は、櫛歯電極部17の上方において、左辺11cに沿って櫛歯状に形成されている。   The comb electrode portion 17 is formed in a comb shape along the left side 11 c of the outer gimbal 11. Further, the comb electrode portion 18 is formed in a comb shape along the left side 11 c above the comb electrode portion 17.

また櫛歯電極部19は、外ジンバル11の右辺11dに沿って櫛歯状に形成されている。さらに櫛歯電極部20は、櫛歯電極部17の上方において、右辺11dに沿って櫛歯状に形成されている。   Further, the comb electrode portion 19 is formed in a comb shape along the right side 11 d of the outer gimbal 11. Further, the comb electrode portion 20 is formed in a comb shape along the right side 11 d above the comb electrode portion 17.

次に支持部3は、上辺11aと連結されていない側の弾性連結部14aの端部と連結される上側支持部3aと、下辺11bと連結されていない側の弾性連結部14bの端部と連結される下側支持部3bとから構成される。   Next, the support portion 3 includes an upper support portion 3a connected to an end portion of the elastic connection portion 14a on the side not connected to the upper side 11a, and an end portion of the elastic connection portion 14b on the side not connected to the lower side 11b. It is comprised from the lower side support part 3b connected.

さらに駆動部4は、櫛歯電極部17と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部4aと、櫛歯電極部19と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部4bとから構成される。   Further, the driving unit 4 is formed in a comb-teeth electrode portion 4a formed in a comb-teeth shape that meshes with the comb-teeth electrode unit 17 with a predetermined interval, and in a comb-teeth shape that meshes with the comb-teeth electrode unit 19 with a predetermined interval. And the comb electrode portion 4b.

また角度検出部5は、櫛歯電極部18と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部5aと、櫛歯電極部20と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部5bとから構成される。   Further, the angle detection unit 5 is formed in a comb-teeth shape that is meshed with the comb-teeth electrode unit 18 with a predetermined interval and a comb-teeth shape that is meshed with the comb-teeth electrode unit 20 with a predetermined interval. It is comprised from the comb-tooth electrode part 5b made.

次に、光走査装置1の電気的構成について説明する。図2は、光走査装置1の電気的構成を示すブロック図である。
光走査装置1は、図2に示すように、光ビーム走査部2を回転駆動するための駆動信号としてのパルス電圧を出力する駆動信号発生回路31と、駆動信号発生回路31により出力された駆動信号を増幅して櫛歯電極部4a,4bに印加する増幅回路32と、櫛歯電極部5a,5bと櫛歯電極部19,20との間の静電容量を電圧値に変換するC−V変換回路33a,33b(以下、C−V変換回路33a,33bをまとめてC−V変換回路33ともいう)と、光ビームの発光源となる半導体レーザ34と、C−V変換回路33から出力される電圧をモニタし、この電圧値に基づいて半導体レーザ34を制御するとともに、駆動信号発生回路31を制御する制御回路35とを備える。
Next, the electrical configuration of the optical scanning device 1 will be described. FIG. 2 is a block diagram showing an electrical configuration of the optical scanning device 1.
As shown in FIG. 2, the optical scanning device 1 includes a drive signal generation circuit 31 that outputs a pulse voltage as a drive signal for rotationally driving the light beam scanning unit 2, and the drive output by the drive signal generation circuit 31. Amplifying circuit 32 that amplifies the signal and applies it to comb-tooth electrode portions 4a and 4b, and C− that converts the capacitance between comb-tooth electrode portions 5a and 5b and comb-tooth electrode portions 19 and 20 into a voltage value. From the V conversion circuits 33a and 33b (hereinafter, the CV conversion circuits 33a and 33b are collectively referred to as the CV conversion circuit 33), the semiconductor laser 34 serving as a light source of the light beam, and the CV conversion circuit 33. A control circuit 35 that monitors the output voltage, controls the semiconductor laser 34 based on the voltage value, and controls the drive signal generation circuit 31 is provided.

次に、光走査装置1の動作原理を説明する。
光走査装置1は、支持部3を固定端として、回転軸i,j,kに対しての捻り自由度を持つ3自由度捻り振動子になっている。
Next, the operation principle of the optical scanning device 1 will be described.
The optical scanning device 1 is a three-degree-of-freedom torsional vibrator having a degree of freedom of twisting with respect to the rotation axes i, j, and k with the support portion 3 as a fixed end.

3自由度捻り振動子は、理論上3つの振動モードを持つ。すなわち、3つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対する各フレームの捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる(これは振動モードと呼ばれる)。以下、これら3つの振動モードをそれぞれ、振動モード1、振動モード2、振動モード3という。   A three-degree-of-freedom torsional vibrator theoretically has three vibration modes. That is, the three vibration modes have different resonance frequencies, and the ratio of the angular amplitude of the torsional vibration of each frame to each resonance frequency is different (this is called a vibration mode). Hereinafter, these three vibration modes are referred to as vibration mode 1, vibration mode 2, and vibration mode 3, respectively.

なお、櫛歯電極部4a,4bに電圧を印加すると、櫛歯電極部17,19との間に静電気力が発生する。また、外ジンバル11が1周期振動する間に櫛歯電極部17,19は櫛歯電極部4a,4bに2回最接近する。このため、共振周波数の2倍に近い周期的静電気力が加われば、3自由度捻り振動子を共振状態にできる(以下、共振状態にするための加振力を周期的加振力という)。また、櫛歯電極部17,19が櫛歯電極部4a,4bに接近する毎に、周期的加振力を作用させることができる。   When a voltage is applied to the comb electrode portions 4a and 4b, an electrostatic force is generated between the comb electrode portions 17 and 19. Further, while the outer gimbal 11 vibrates for one cycle, the comb electrode portions 17 and 19 come closest to the comb electrode portions 4a and 4b twice. For this reason, if a periodic electrostatic force close to twice the resonance frequency is applied, the three-degree-of-freedom torsional vibrator can be brought into a resonance state (hereinafter, an excitation force for making the resonance state is referred to as a periodic excitation force). Further, every time the comb electrode portions 17 and 19 approach the comb electrode portions 4a and 4b, a periodic excitation force can be applied.

そして、振動モード1、振動モード2、振動モード3の各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。   If a periodic excitation force having a frequency corresponding to each of vibration mode 1, vibration mode 2, and vibration mode 3 is applied, the respective vibration modes can be excited. In addition, if a plurality of periodic excitation forces with a plurality of frequencies are superimposed and applied, a plurality of vibration modes can be excited simultaneously.

ここで、例えば、
振動モード1の共振周波数f1を1000Hz、
振動モード2の共振周波数f2を5000Hz、
振動モード3の共振周波数f3を40000Hz、
振動モード1における外ジンバル11、内ジンバル12、ミラー13の振幅比r1を「1:−20:0.5」、
振動モード2における外ジンバル11、内ジンバル12、ミラー13の振幅比r2を「1:0.01:−50」、
振動モード3における外ジンバル11、内ジンバル12、ミラー13の振幅比r3を「1:0.02:−0.03」、
として設計した場合の、3自由度捻り振動子の動作を説明する。
Here, for example,
The resonance frequency f1 of vibration mode 1 is 1000 Hz,
The resonance frequency f2 of vibration mode 2 is 5000 Hz,
The resonance frequency f3 of vibration mode 3 is 40000 Hz,
The amplitude ratio r1 of the outer gimbal 11, the inner gimbal 12, and the mirror 13 in the vibration mode 1 is “1: −20: 0.5”,
The amplitude ratio r2 of the outer gimbal 11, the inner gimbal 12, and the mirror 13 in the vibration mode 2 is “1: 0.01: −50”,
The amplitude ratio r3 of the outer gimbal 11, the inner gimbal 12, and the mirror 13 in the vibration mode 3 is “1: 0.02: −0.03”,
The operation of the three-degree-of-freedom torsional vibrator will be described.

尚、各振動モードにおける振幅比は、左から外ジンバル11、内ジンバル12、ミラー13の順で記述している。例えば、上記の振幅比r1は、外ジンバル11の振幅が「1」とすると、内ジンバル12の振幅が「−20」、ミラー13の振幅が「0.5」となることを示す。   The amplitude ratio in each vibration mode is described in the order of the outer gimbal 11, the inner gimbal 12, and the mirror 13 from the left. For example, when the amplitude of the outer gimbal 11 is “1”, the amplitude ratio r1 indicates that the amplitude of the inner gimbal 12 is “−20” and the amplitude of the mirror 13 is “0.5”.

また、3自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各フレーム間の位相角は0度または180度となる。そこで、振幅比を記述する際に、位相角の差が0度の場合は符号を「+」、180度の場合は符号を「−」とする。例えば、上記の振幅比r1は、外ジンバル11とミラー13との位相角の差が0度となり、外ジンバル11と内ジンバル12との位相角の差が180度となることを示す。   In the resonance state of the three-degree-of-freedom torsional vibrator, the phase angle between the frames is theoretically 0 degree or 180 degrees. Therefore, when describing the amplitude ratio, the sign is “+” when the phase angle difference is 0 degree, and the sign is “−” when the difference is 180 degrees. For example, the amplitude ratio r1 indicates that the phase angle difference between the outer gimbal 11 and the mirror 13 is 0 degree, and the phase angle difference between the outer gimbal 11 and the inner gimbal 12 is 180 degrees.

そして、各振動モードの共振周波数と振幅比を上記のように設計すると、振動モード1では、主に内ジンバル12と、内ジンバル12に繋がったミラー13とが1000Hzで大きく捻り振動する。また、振動モード2では、主にミラー13が5000Hzで大きく捻り振動する。   When the resonance frequency and amplitude ratio of each vibration mode are designed as described above, in the vibration mode 1, mainly the inner gimbal 12 and the mirror 13 connected to the inner gimbal 12 are largely torsionally vibrated at 1000 Hz. Further, in the vibration mode 2, the mirror 13 is largely twisted and vibrated at 5000 Hz.

このため、ミラー13の鏡面部分でレーザ光を反射させるとともに、振動モード1と振動モード2とを同時に励振させることにより、振動モード2を主走査方向(5000Hz)、振動モード1を副走査方向(1000Hz)として、2次元的にレーザ光を走査することができる。   For this reason, the laser beam is reflected by the mirror surface portion of the mirror 13 and the vibration mode 1 and the vibration mode 2 are simultaneously excited, so that the vibration mode 2 is in the main scanning direction (5000 Hz) and the vibration mode 1 is in the sub-scanning direction ( 1000 Hz), the laser beam can be scanned two-dimensionally.

次に、光走査装置1の動作について説明する。
制御回路35による制御に基づいて駆動信号発生回路31が駆動信号を出力すると、増幅回路32によりこの駆動信号の電圧値が増幅されて櫛歯電極部4a,4bに印加される。これにより、櫛歯電極部4a,4bと、櫛歯電極部17,19との間にパルス電圧が印加されて周期的に変化する静電引力が生じ、弾性連結部14a,14bが弾性変形してねじれることにより、光ビーム走査部2が弾性連結部14a,14bを回転軸iとして往復振動する。
Next, the operation of the optical scanning device 1 will be described.
When the drive signal generating circuit 31 outputs a drive signal based on the control by the control circuit 35, the voltage value of the drive signal is amplified by the amplifier circuit 32 and applied to the comb electrode portions 4a and 4b. Thereby, a pulse voltage is applied between the comb-tooth electrode portions 4a and 4b and the comb-tooth electrode portions 17 and 19 to generate an electrostatic attractive force that periodically changes, and the elastic coupling portions 14a and 14b are elastically deformed. By twisting, the light beam scanning unit 2 reciprocally vibrates about the elastic coupling portions 14a and 14b as the rotation axis i.

ここで、駆動信号発生回路31は、ミラー13の角度振幅が、外ジンバル11および内ジンバル12よりも大きい振動モードの共振周波数の2倍の周波数の駆動信号を出力するようになっており、これにより、光ビーム走査部2と弾性連結部14a,14bとからなる振動系が共振し、光ビーム走査部2が共振周波数で往復振動する。   Here, the drive signal generation circuit 31 outputs a drive signal having a frequency twice the resonance frequency of the vibration mode in which the angular amplitude of the mirror 13 is larger than that of the outer gimbal 11 and the inner gimbal 12. Thus, the vibration system composed of the light beam scanning unit 2 and the elastic coupling portions 14a and 14b resonates, and the light beam scanning unit 2 reciprocally vibrates at the resonance frequency.

そして、この状態でミラー13に半導体レーザ34から光ビームが照射されると、その光ビームがミラー13の鏡面で反射されることにより出射されるとともに、ミラー13の往復振動に伴い、ミラー13の回転角度に応じた方向に走査される。   In this state, when the mirror 13 is irradiated with a light beam from the semiconductor laser 34, the light beam is emitted by being reflected by the mirror surface of the mirror 13. Scanning is performed in a direction corresponding to the rotation angle.

一方、外ジンバル11の往復振動に伴い、櫛歯電極部5a,5bと櫛歯電極部18,20との距離も周期的に変化する。これにより、櫛歯電極部5a,5bと櫛歯電極部18,20との間の静電容量が、外ジンバル11の回転角度に応じて変化する。そして制御回路35は、これらの静電容量に基づき、外ジンバル11の回転角度を検出する。なお上述したように、3自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各フレーム間の位相角は0度または180度であるため、外ジンバル11の回転角度を検出することにより、ミラー13の回転角度を検出することができる。   On the other hand, with the reciprocal vibration of the outer gimbal 11, the distance between the comb electrode portions 5a and 5b and the comb electrode portions 18 and 20 also periodically changes. As a result, the capacitance between the comb electrode portions 5 a and 5 b and the comb electrode portions 18 and 20 changes according to the rotation angle of the outer gimbal 11. The control circuit 35 detects the rotation angle of the outer gimbal 11 based on these capacitances. As described above, in the resonance state of the three-degree-of-freedom torsional vibrator, since the phase angle between the frames is theoretically 0 degree or 180 degrees, the mirror is detected by detecting the rotation angle of the outer gimbal 11. Thirteen rotation angles can be detected.

このように構成された光走査装置1は、光ビームを反射させる鏡面部を有するミラー13と、ミラー13に連結された弾性変形可能な弾性連結部16a,16bを有し、弾性連結部16a,16bを回転軸kとしてミラー13を揺動可能に支持する内ジンバル12と、内ジンバル12に連結された弾性変形可能な弾性連結部15a,15bを有し、弾性連結部15a,15bを回転軸jとして内ジンバル12を揺動可能に支持する外ジンバル11と、外ジンバル11に連結された弾性変形可能な弾性連結部14a,14bを回転軸iとして外ジンバル11を揺動可能に支持する支持部3とを備えて、ミラー13、内ジンバル12、外ジンバル11、支持部3、弾性連結部16a,16b、弾性連結部15a,15b、及び弾性連結部14a,14bが、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する3自由度連成振動系を構成する。   The optical scanning device 1 configured as described above includes a mirror 13 having a mirror surface portion that reflects a light beam, and elastically deformable elastic connecting portions 16 a and 16 b connected to the mirror 13. An inner gimbal 12 that supports the mirror 13 so as to be swingable about a rotation axis k, and elastically deformable elastic connection portions 15a and 15b connected to the inner gimbal 12, and the elastic connection portions 15a and 15b as rotation axes An outer gimbal 11 that swingably supports the inner gimbal 12 as j, and a support that swingably supports the outer gimbal 11 with the elastically deformable elastic connecting portions 14a and 14b connected to the outer gimbal 11 as the rotation axis i. Part 3, mirror 13, inner gimbal 12, outer gimbal 11, support part 3, elastic coupling parts 16 a and 16 b, elastic coupling parts 15 a and 15 b, and elastic coupling part 14 a, 4b constitute three degrees of freedom coupled vibration system of torsional vibration with a large rotation angle when the specific periodic external force acts.

このため光走査装置1は、支持部3を固定端として、弾性連結部16a,16b、弾性連結部15a,15b、及び弾性連結部14a,14bに対しての捻り自由度を持つ3自由度捻り振動子になっている。   For this reason, the optical scanning device 1 has a three-degree-of-freedom torsion having a degree of freedom of twisting the elastic connecting portions 16a and 16b, the elastic connecting portions 15a and 15b, and the elastic connecting portions 14a and 14b with the support portion 3 as a fixed end. It is a vibrator.

3自由度捻り振動子は、理論上3つの振動モードを持つ。すなわち、3つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対するミラー13、内ジンバル12、外ジンバル11の捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる(これは振動モードと呼ばれる)。したがって、或る振動モードにおいて、外ジンバル11の角度振幅が大きくなると、この振動モードにおける角度振幅の比に応じて、ミラー13および内ジンバル12の角度振幅が大きくなる。   A three-degree-of-freedom torsional vibrator theoretically has three vibration modes. That is, the three vibration modes have different resonance frequencies, and the ratios of the angular amplitudes of the torsional vibrations of the mirror 13, the inner gimbal 12, and the outer gimbal 11 with respect to the respective resonance frequencies are different (this is called a vibration mode). Therefore, when the angular amplitude of the outer gimbal 11 increases in a certain vibration mode, the angular amplitude of the mirror 13 and the inner gimbal 12 increases according to the ratio of the angular amplitude in this vibration mode.

そして、櫛歯状に形成された櫛歯電極部17,19が外ジンバル11に設けられるとともに、櫛歯電極部17,19と噛み合い可能な櫛歯状に形成された櫛歯電極部4a,4bが櫛歯電極部17,19と噛み合い可能な位置に固定して設置され、駆動信号発生回路31が、櫛歯電極部17,19と櫛歯電極部4a,4bとの間に電圧を印加して、両電極部間に静電引力を発生させる。   Comb electrode portions 17 and 19 formed in a comb shape are provided on the outer gimbal 11, and comb electrode portions 4a and 4b formed in a comb shape that can mesh with the comb electrode portions 17 and 19 are provided. Is fixedly installed at a position where it can mesh with the comb electrode portions 17 and 19, and the drive signal generating circuit 31 applies a voltage between the comb electrode portions 17 and 19 and the comb electrode portions 4a and 4b. Thus, an electrostatic attractive force is generated between both electrode portions.

このため、駆動信号発生回路31が、櫛歯電極部17,19と櫛歯電極部4a,4bとの間に電圧を印加して、固有の周期的外力を外ジンバル11に作用させることにより、3自由度捻り振動子を共振状態にできる。   For this reason, the drive signal generation circuit 31 applies a voltage between the comb electrode portions 17 and 19 and the comb electrode portions 4a and 4b to cause a specific periodic external force to act on the outer gimbal 11. The three-degree-of-freedom torsional vibrator can be brought into a resonance state.

また、3つの振動モードの各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。   Further, if a periodic excitation force having a frequency corresponding to each of the three vibration modes is given, each vibration mode can be excited. In addition, if a plurality of periodic excitation forces with a plurality of frequencies are superimposed and applied, a plurality of vibration modes can be excited simultaneously.

したがって、ミラー13の角度振幅が大きい振動モードに対応する周期的加振力と、内ジンバル12の角度振幅が大きい振動モードに対応する周期的加振力とを重畳して与えることにより、ミラー13で反射するレーザ光を2次元的に走査することができる。   Therefore, by applying the periodic excitation force corresponding to the vibration mode with a large angular amplitude of the mirror 13 and the periodic excitation force corresponding to the vibration mode with a large angular amplitude of the inner gimbal 12 in a superimposed manner, the mirror 13 The laser beam reflected by can be scanned two-dimensionally.

図3は、ミラー13の振幅角(以下、ミラー振幅角ともいう)と弾性連結部14a,14bのねじりバネ定数K3との関係の一例を示すグラフである。なお以下、弾性連結部14a,14bのねじりバネ定数K3を外ジンバル11のねじりバネ定数K3と称す。   FIG. 3 is a graph showing an example of the relationship between the amplitude angle of the mirror 13 (hereinafter also referred to as the mirror amplitude angle) and the torsion spring constant K3 of the elastic coupling portions 14a and 14b. Hereinafter, the torsion spring constant K3 of the elastic connecting portions 14a and 14b is referred to as the torsion spring constant K3 of the outer gimbal 11.

図3に示すように、ミラー振幅角の大きさは、外ジンバル11のねじりバネ定数K3に応じて大きく変化する。なお図3では、ミラー振幅角の最大値(図3の点P1を参照)が、ミラー振幅角の最小値(図3の点P2を参照)の約3.5倍の大きさとなる。すなわち、外ジンバル11のねじりバネ定数K3の値を調整することにより、ミラー振幅角を大きくすることができ、走査範囲を大きくすることができる。   As shown in FIG. 3, the magnitude of the mirror amplitude angle varies greatly according to the torsion spring constant K <b> 3 of the outer gimbal 11. In FIG. 3, the maximum value of the mirror amplitude angle (see point P1 in FIG. 3) is about 3.5 times the minimum value of the mirror amplitude angle (see point P2 in FIG. 3). That is, by adjusting the value of the torsion spring constant K3 of the outer gimbal 11, the mirror amplitude angle can be increased and the scanning range can be increased.

図4(a)は、ミラー13の振幅角と「(外ジンバル11のねじりバネ定数K3)/(外ジンバル11の慣性モーメントI3)」との関係の一例を示すグラフである。なお図4(a)において、曲線L1は、外ジンバル11とミラー13との位相角の差が0度(すなわち、同相)となる場合のミラー振幅角を示し、曲線L2は、外ジンバル11とミラー13との位相角の差が180度(すなわち、逆相)となる場合のミラー振幅角を示す。   FIG. 4A is a graph showing an example of the relationship between the amplitude angle of the mirror 13 and “(the torsion spring constant K3 of the outer gimbal 11) / (the moment of inertia I3 of the outer gimbal 11)”. In FIG. 4A, a curve L1 indicates the mirror amplitude angle when the difference in phase angle between the outer gimbal 11 and the mirror 13 is 0 degree (that is, the same phase), and the curve L2 indicates the outer gimbal 11 and The mirror amplitude angle in the case where the phase angle difference from the mirror 13 is 180 degrees (ie, opposite phase) is shown.

図4(a)に示すように、ミラー振幅角の大きさは、「(外ジンバル11のねじりバネ定数K3)/(外ジンバル11の慣性モーメントI3)」に応じて大きく変化する。また、「(外ジンバル11のねじりバネ定数K3)/(外ジンバル11の慣性モーメントI3)」に応じて、(外ジンバル11のねじりバネ定数K3)/(外ジンバル11の慣性モーメントI3)」が小さい順に、外ジンバル11とミラー13とが逆相になる領域R1(以下、逆相領域R1ともいう)と、外ジンバル11とミラー13とが同相または逆相になる領域R2(以下、不安定領域R2ともいう)と、外ジンバル11とミラー13とが同相になる領域R3(以下、同相領域R3ともいう)とに分割される。   As shown in FIG. 4A, the magnitude of the mirror amplitude angle varies greatly according to “(the torsion spring constant K3 of the outer gimbal 11) / (the moment of inertia I3 of the outer gimbal 11)”. Further, in accordance with “(torsion spring constant K3 of outer gimbal 11) / (moment of inertia of outer gimbal 11 I3)”, (torsion spring constant of outer gimbal 11 K3) / (moment of inertia of outer gimbal 11 I3) ” A region R1 in which the outer gimbal 11 and the mirror 13 are in reverse phase (hereinafter also referred to as a reverse phase region R1) and a region R2 in which the outer gimbal 11 and the mirror 13 are in phase or in reverse phase (hereinafter, unstable) And the outer gimbal 11 and the mirror 13 are divided into regions R3 (hereinafter also referred to as in-phase regions R3).

図4(b)は、内ジンバル12の振幅角(以下、内ジンバル振幅角ともいう)と「(外ジンバル11のねじりバネ定数K3)/(外ジンバル11の慣性モーメントI3)」との関係の一例を示すグラフである。図4(b)に示すように、内ジンバル振幅角の大きさは、「(外ジンバル11のねじりバネ定数K3)/(外ジンバル11の慣性モーメントI3)」に応じて大きく変化する。   FIG. 4B shows the relationship between the amplitude angle of the inner gimbal 12 (hereinafter also referred to as the inner gimbal amplitude angle) and “(torsion spring constant K3 of the outer gimbal 11) / (moment of inertia I3 of the outer gimbal 11)”. It is a graph which shows an example. As shown in FIG. 4B, the magnitude of the inner gimbal amplitude angle varies greatly according to “(torsion spring constant K3 of the outer gimbal 11) / (moment of inertia I3 of the outer gimbal 11)”.

図5、図6(a)、図6(b)は、ミラー振幅角および内ジンバル振幅角と「(外ジンバル11のねじりバネ定数K3)/(外ジンバル11の慣性モーメントI3)」との関係の一例を示すグラフである。なお、図5、図6(a)、図6(b)は、図4(a)と図4(b)を重ねて示したものである。   5, 6A, and 6B show the relationship between the mirror amplitude angle and the inner gimbal amplitude angle and “(the torsion spring constant K3 of the outer gimbal 11) / (the moment of inertia I3 of the outer gimbal 11)”. It is a graph which shows an example. In addition, FIG.5, FIG.6 (a), FIG.6 (b) overlaps and shows FIG.4 (a) and FIG.4 (b).

図5において、破線L4は、「(弾性連結部15a,15bのねじりバネ定数K2)/(内ジンバル12の慣性モーメントI2)」の大きさ(図5では、約5E+07)を示し、破線L5は、「(弾性連結部16a,16bのねじりバネ定数K1)/(ミラー13の慣性モーメントI1)」の大きさ(図5では、約1.6E+10)を示す。なお以下、「弾性連結部15a,15bのねじりバネ定数K2」を「内ジンバル12のねじりバネ定数K2」と、「弾性連結部16a,16bのねじりバネ定数K1」を「ミラー13のねじりバネ定数K1」と称す。   In FIG. 5, the broken line L4 indicates the magnitude of “(the torsion spring constant K2 of the elastic coupling portions 15a and 15b) / (inertial moment I2 of the inner gimbal 12)” (in FIG. 5, about 5E + 07). , “(The torsion spring constant K1 of the elastic coupling portions 16a and 16b) / (the moment of inertia I1 of the mirror 13)” (in FIG. 5, about 1.6E + 10). Hereinafter, “the torsion spring constant K2 of the elastic connecting portions 15a and 15b” is referred to as “the torsion spring constant K2 of the inner gimbal 12”, and “the torsion spring constant K1 of the elastic connecting portions 16a and 16b” is referred to as “the torsion spring constant of the mirror 13”. This is referred to as “K1”.

図5に示すように、ミラー振幅角は、「(外ジンバル11のねじりバネ定数K3)/(外ジンバル11の慣性モーメントI3)」が「(ミラー13のねじりバネ定数K1)/(ミラー13の慣性モーメントI1)」未満である領域R4で最大値になっている。   As shown in FIG. 5, the mirror amplitude angle is “(torsional spring constant K3 of outer gimbal 11) / (inertial moment I3 of outer gimbal 11)” is “(torsional spring constant K1 of mirror 13) / (of mirror 13). In the region R4, which is less than the moment of inertia I1) ", the maximum value is obtained.

このため、ミラー振幅角を大きくするためには、{(ミラー13のねじりバネ定数K1)/(ミラー13の慣性モーメントI1)}>{(外ジンバル11のねじりバネ定数K3)/(外ジンバル11の慣性モーメントI3)}となるように光走査装置1を構成するとよい。   Therefore, in order to increase the mirror amplitude angle, {(torsion spring constant K1 of mirror 13) / (moment of inertia I1 of mirror 13)}> {(torsion spring constant K3 of outer gimbal 11) / (outer gimbal 11 It is preferable to configure the optical scanning device 1 so that the moment of inertia I3)

また図6(a)に示すように、領域R4のうち、上記不安定領域R2を除外するように「(外ジンバル11のねじりバネ定数K3)/(外ジンバル11の慣性モーメントI3)」の値を設定することにより、光走査装置1の動作が比較的安定するようになり、光ビーム走査の乱れを抑制することができる。   Further, as shown in FIG. 6A, the value of “(torsion spring constant K3 of the outer gimbal 11) / (moment of inertia I3 of the outer gimbal 11)” so as to exclude the unstable region R2 in the region R4. Is set, the operation of the optical scanning device 1 becomes relatively stable, and the disturbance of the light beam scanning can be suppressed.

また図6(b)に示すように、領域R4のうち、上記不安定領域R2および上記同相領域R3を除外するように「(外ジンバル11のねじりバネ定数K3)/(外ジンバル11の慣性モーメントI3)」の値を設定することにより、内ジンバル振幅角が比較的大きくなる領域で光走査装置1を動作させることができ、2次元で光ビーム走査を行う場合に、走査範囲を拡大することができる。   Further, as shown in FIG. 6B, in the region R4, “(the torsion spring constant K3 of the outer gimbal 11) / (the moment of inertia of the outer gimbal 11) is excluded so as to exclude the unstable region R2 and the in-phase region R3. By setting the value of “I3)”, the optical scanning device 1 can be operated in a region where the inner gimbal amplitude angle is relatively large, and the scanning range is expanded when performing two-dimensional light beam scanning. Can do.

また図5に示すように、内ジンバル振幅角は、「(外ジンバル11のねじりバネ定数K3)/(外ジンバル11の慣性モーメントI3)」が「(内ジンバル12のねじりバネ定数K2)/(内ジンバル12の慣性モーメントI2)」より大きい領域で最大値になっている。   As shown in FIG. 5, the inner gimbal amplitude angle is “(torsion spring constant K3 of outer gimbal 11) / (moment of inertia I3 of outer gimbal 11)” is “(torsion spring constant K2 of inner gimbal 12) / ( The maximum value is obtained in a region larger than the moment of inertia I2) of the inner gimbal 12.

このため、内ジンバル振幅角を大きくして、走査範囲を大きくするためには、{(外ジンバル11のねじりバネ定数K3)/(外ジンバル11の慣性モーメントI3)}>{(内ジンバル12のねじりバネ定数K2)/(内ジンバル12の慣性モーメントI2)}となるように光走査装置1を構成するとよい。   For this reason, in order to increase the inner gimbal amplitude angle and increase the scanning range, {(torsion spring constant K3 of the outer gimbal 11) / (moment of inertia I3 of the outer gimbal 11)}> {( The optical scanning device 1 may be configured so that the torsion spring constant K2) / (the moment of inertia I2 of the inner gimbal 12)}.

以上説明した実施形態において、ミラー13は本発明における反射部、弾性連結部16a,16bは本発明における第1弾性連結部、内ジンバル12は本発明における第1支持部、弾性連結部15a,15bは本発明における第2弾性連結部、外ジンバル11は本発明における第2支持部、弾性連結部14a,14bは本発明における第3弾性連結部、支持部3は本発明における第3支持部、駆動部4は本発明における外力作用手段である。   In the embodiment described above, the mirror 13 is the reflection part in the present invention, the elastic connection parts 16a and 16b are the first elastic connection part in the present invention, and the inner gimbal 12 is the first support part and the elastic connection parts 15a and 15b in the present invention. Is the second elastic connecting portion in the present invention, the outer gimbal 11 is the second supporting portion in the present invention, the elastic connecting portions 14a and 14b are the third elastic connecting portions in the present invention, the supporting portion 3 is the third supporting portion in the present invention, The drive unit 4 is an external force acting means in the present invention.

また、同相領域R3は本発明における同相振動発生状態、逆相領域R1は本発明における逆相振動発生状態、不安定領域R2は本発明における不安定振動状態である。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
The in-phase region R3 is an in-phase vibration occurrence state in the present invention, the anti-phase region R1 is an anti-phase vibration occurrence state in the present invention, and the unstable region R2 is an unstable vibration state in the present invention.
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, As long as it belongs to the technical scope of this invention, a various form can be taken.

例えば上記実施形態においては、櫛歯電極部4a,4bと、櫛歯電極部17,19との間に静電引力を生じさせることにより、外ジンバル11を往復振動させるものを示した。しかし、圧電駆動または電磁駆動により外ジンバル11を往復振動させるようにしてもよい。   For example, in the above-described embodiment, the outer gimbal 11 is reciprocally vibrated by generating an electrostatic attractive force between the comb-tooth electrode portions 4a and 4b and the comb-tooth electrode portions 17 and 19. However, the outer gimbal 11 may be reciprocally vibrated by piezoelectric driving or electromagnetic driving.

1…光走査装置、2…光ビーム走査部、3…支持部、4…駆動部、4a,4b…櫛歯電極部、5…角度検出部、5a,5b…櫛歯電極部、11…外ジンバル、12…内ジンバル、13…ミラー、14a,14b,15a,15b,16a,16b…弾性連結部、17,18,19,20…櫛歯電極部、31…駆動信号発生回路、32…増幅回路、33…C−V変換回路、34…半導体レーザ、35…制御回路   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical scanning device, 2 ... Light beam scanning part, 3 ... Support part, 4 ... Drive part, 4a, 4b ... Comb electrode part, 5 ... Angle detection part, 5a, 5b ... Comb electrode part, 11 ... Out Gimbal, 12 ... Inner gimbal, 13 ... Mirror, 14a, 14b, 15a, 15b, 16a, 16b ... Elastic connection part, 17, 18, 19, 20 ... Combine electrode part, 31 ... Drive signal generating circuit, 32 ... Amplification Circuit 33 ... CV conversion circuit 34 ... Semiconductor laser 35 ... Control circuit

Claims (4)

光ビームを反射させる反射面を有する反射部と、
前記反射部に連結された弾性変形可能な第1弾性連結部を有し、該第1弾性連結部を回転軸として前記反射部を揺動可能に支持する第1支持部と、
前記第1支持部に連結された弾性変形可能な第2弾性連結部を有し、該第2弾性連結部を回転軸として前記第1支持部を揺動可能に支持する第2支持部と、
前記第2支持部に連結された弾性変形可能な第3弾性連結部を有し、該第3弾性連結部を回転軸として前記第2支持部を揺動可能に支持する第3支持部と
を備えて、前記反射部、前記第1支持部、前記第2支持部、前記第3支持部、前記第1弾性連結部、前記第2弾性連結部、及び前記第3弾性連結部が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する3自由度連成振動系を構成し、
更に、前記3自由度連成振動系に前記固有の周期的外力を作用させる外力作用手段を備える光走査装置であって、
前記第1弾性連結部のねじれバネ定数、及び第3弾性連結部のねじれバネ定数をそれぞれ、K1,K3とし、
前記反射部の慣性モーメント、及び前記第2支持部の慣性モーメントをそれぞれ、I1,I3として、
下式(1)で表される関係式を満たすように構成されることを特徴とする光走査装置。
(K1/I1) > (K3/I3) …(1)
A reflecting portion having a reflecting surface for reflecting the light beam;
A first support part that has an elastically deformable first elastic connection part that is connected to the reflection part, and that supports the reflection part in a swingable manner with the first elastic connection part as a rotation axis;
A second support portion that has an elastically deformable second elastic connection portion that is connected to the first support portion, and that supports the first support portion in a swingable manner using the second elastic connection portion as a rotation axis;
A third support portion that has an elastically deformable third elastic connection portion that is connected to the second support portion, and that supports the second support portion in a swingable manner with the third elastic connection portion as a rotation axis. The reflection unit, the first support unit, the second support unit, the third support unit, the first elastic connection unit, the second elastic connection unit, and the third elastic connection unit are unique. A three-degree-of-freedom coupled vibration system that torsionally vibrates at a large rotation angle when a periodic external force is applied,
Furthermore, an optical scanning device comprising an external force application means for applying the inherent periodic external force to the three-degree-of-freedom coupled vibration system,
The torsion spring constant of the first elastic coupling part and the torsion spring constant of the third elastic coupling part are respectively K1 and K3,
The moment of inertia of the reflecting portion and the moment of inertia of the second support portion are denoted as I1 and I3, respectively.
An optical scanning device configured to satisfy the relational expression represented by the following expression (1).
(K1 / I1)> (K3 / I3) (1)
前記第2支持部と前記反射部との位相角の差が0度となるように当該光走査装置が前記捩じり振動することを同相振動、前記第2支持部と前記反射部との位相角の差が180度となるように当該光走査装置が前記捩じり振動することを逆相振動とし、
当該光走査装置は、前記(K3/I3)の値に応じて、前記同相振動のみが発生する振動状態である同相振動発生状態、前記逆相振動のみが発生する振動状態である逆相振動発生状態、前記同相振動または前記逆相振動が発生する振動状態である不安定振動状態の何れかの状態に遷移し、
前記不安定振動状態とならない前記(K3/I3)の値に設定されている
ことを特徴とする請求項1に記載の光走査装置。
The optical scanning device vibrates in the torsional vibration so that the phase angle difference between the second support part and the reflection part becomes 0 degree, and the phase between the second support part and the reflection part. The torsional vibration of the optical scanning device so that the angle difference becomes 180 degrees is referred to as anti-phase vibration,
In the optical scanning device, in accordance with the value of (K3 / I3), the in-phase vibration generation state, which is a vibration state in which only the in-phase vibration is generated, and the reverse phase vibration generation, in which only the reverse phase vibration is generated. The state, the in-phase vibration or the anti-phase vibration is a vibration state where the unstable vibration state is generated,
The optical scanning device according to claim 1, wherein the value is set to the value of (K3 / I3) that does not cause the unstable vibration state.
前記逆相振動発生状態となる前記(K3/I3)の値に設定されている
ことを特徴とする請求項2に記載の光走査装置。
The optical scanning device according to claim 2, wherein the value is set to the value of (K3 / I3) at which the antiphase vibration is generated.
前記第2弾性連結部のねじれバネ定数をK2とし、
前記第1支持部の慣性モーメントをI2として、
下式(2)で表される関係式を満たすように構成されることを特徴とする請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の光走査装置。
(K3/I3) > (K2/I2) …(2)
The torsion spring constant of the second elastic coupling part is K2,
The moment of inertia of the first support part is I2,
4. The optical scanning device according to claim 1, wherein the optical scanning device is configured to satisfy a relational expression represented by the following expression (2): 5.
(K3 / I3)> (K2 / I2) (2)
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