JP2011197485A - Optical scanner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光走査装置に関するものである。 The present invention relates to an optical scanning device.
光走査装置に関する提案がなされている(例えば、特許文献1参照)。例えば、特許文献1には光走査装置として、枠体と、偏光面と、2つの梁部材とを備えたガルバノミラーが提案されている。偏光面は、入射した光を反射する面である。両梁部材は、偏光面を枠体に支持させる。具体的に、偏向面は、左端中央部にて、一の梁部材でもって、枠体に支持されている。また、偏向面は、右端中央部にて、他の梁部材でもって、枠体に支持されている。つまり、特許文献1のガルバノミラーは、偏光面が形成された部材の中心軸と同一直線上の両梁部材の軸心を中心として偏光面を駆動させて、光を走査させる。 Proposals related to optical scanning devices have been made (see, for example, Patent Document 1). For example, Patent Document 1 proposes a galvanometer mirror including a frame, a polarization plane, and two beam members as an optical scanning device. The polarization plane is a plane that reflects incident light. Both beam members support the polarization plane on the frame. Specifically, the deflection surface is supported by the frame body with a single beam member at the center of the left end. Further, the deflection surface is supported by the frame body with another beam member at the center of the right end. That is, the galvanometer mirror of Patent Document 1 scans light by driving the polarization plane around the axis of the two beam members collinear with the central axis of the member on which the polarization plane is formed.
ところで、光走査装置では、安定した光走査が好適に実現されなければならない。具体的に、入射された光(ビーム)が、いわゆるけられることがなく所定の方向に反射されるようにしなければならない。 By the way, in the optical scanning device, stable optical scanning must be suitably realized. Specifically, the incident light (beam) must be reflected in a predetermined direction without being so-called.
本発明は、安定した光走査を好適に行うことが可能な光走査装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an optical scanning device capable of suitably performing stable optical scanning.
上記従来の課題に鑑みなされた本発明の一側面は、枠体と、揺動部と、入射される光を反射する反射面を有するミラー部と、前記揺動部を支持する支持部と、前記支持部を前記枠体に取り付けるための介在部と、前記揺動部と前記ミラー部と前記支持部とを回転させ、前記反射面を揺動させる駆動部とを備え、前記揺動部は、前記ミラー部を含み、前記反射面は、前記揺動部と前記支持部とをとおり、前記駆動部による揺動のための回転の中心となる中心軸を含む面であることを特徴とする光走査装置である。これによれば、光がけられるといった現象の発生を低減することができる。ここで、光がけられるとは、入射される光が、ミラー部の反射面に入射せず、反射面の近傍を通過してしまう現象をいう。なお、揺動のための回転の中心は、揺動の中心ともなる。 One aspect of the present invention made in view of the above-described conventional problems includes a frame, a swing part, a mirror part having a reflection surface that reflects incident light, a support part that supports the swing part, An interposition part for attaching the support part to the frame, and a drive part for rotating the swinging part, the mirror part, and the support part to swing the reflecting surface; The reflection surface is a surface including a central axis that is a center of rotation for swinging by the driving unit through the swinging unit and the support unit. This is an optical scanning device. According to this, it is possible to reduce the occurrence of a phenomenon that light is scattered. Here, the fact that light is scattered refers to a phenomenon in which incident light does not enter the reflecting surface of the mirror part but passes through the vicinity of the reflecting surface. Note that the center of rotation for swinging is also the center of swinging.
この光走査装置は、次のような構成とすることもできる。すなわち、前記揺動部は平面を含み、前記平面が前記反射面として形成されていることを特徴としてもよい。これによれば、光走査装置をシンプルな構成とすることができる。 This optical scanning device can also be configured as follows. That is, the rocking part may include a flat surface, and the flat surface may be formed as the reflecting surface. According to this, the optical scanning device can have a simple configuration.
また、前記支持部は、柱状の部材であって、前記介在部は、柱状の部材の前記支持部に装着される軸受によって構成されていることを特徴としてもよい。これによれば、揺動部とミラー部と支持部との回転をスムーズに行うことができる。ここで、支持部を軸受で支持すると、揺動時における支持部の捩じれを防止することができる。したがって、揺動時において、ミラー部に復元力が働かず、結果としてミラー部と支持部との回転に伴う共振周波数は存在しない。そのため、光走査装置が鋸波状などの駆動波形によって駆動されても、共振周波数に起因するリンギング、すなわち走査光の揺らぎを回避することができる。 Moreover, the said support part is a columnar member, Comprising: The said interposition part is comprised by the bearing with which the said support part of a columnar member is mounted | worn. According to this, rotation with a rocking | swiveling part, a mirror part, and a support part can be performed smoothly. Here, when the support portion is supported by the bearing, twisting of the support portion during swinging can be prevented. Therefore, at the time of swinging, no restoring force acts on the mirror part, and as a result, there is no resonance frequency associated with the rotation of the mirror part and the support part. Therefore, even when the optical scanning device is driven by a drive waveform such as a sawtooth waveform, ringing due to the resonance frequency, that is, fluctuation of the scanning light can be avoided.
また、前記揺動部と前記支持部は一体の部材によって形成されていることを特徴としてもよい。これによれば、光走査装置をシンプルな構成とすることができる。また、揺動部とミラー部と支持部との回転の中心を精度よく確保することができる。 Further, the swinging portion and the support portion may be formed by an integral member. According to this, the optical scanning device can have a simple configuration. In addition, the center of rotation of the swinging portion, the mirror portion, and the support portion can be ensured with high accuracy.
また、前記駆動部は、電磁コイルと、前記電磁コイルに磁力を作用させることができる位置に設けられた磁石とを含み、前記電磁コイルまたは前記磁石のいずれかは、前記揺動部に設けられていることを特徴としてもよい。これによれば、好適に揺動部とミラー部と支持部とを回転させ、反射面を揺動させることができる。 The driving unit includes an electromagnetic coil and a magnet provided at a position where a magnetic force can be applied to the electromagnetic coil, and either the electromagnetic coil or the magnet is provided in the swinging unit. It is good also as a feature. According to this, it is possible to preferably rotate the oscillating portion, the mirror portion, and the support portion to oscillate the reflecting surface.
また、前記ミラー部は、前記反射面を有するミラー本体を弾性部材からなる捩れ軸を介して支持して、前記捩れ軸を共振状態で弾性変形させ、前記ミラー本体を、前記駆動部による揺動方向に直交する方向に揺動させる構造体を含むミラーユニットによって構成されていることを特徴としてもよい。これによれば、直交する二方向に光を走査させることができる。すなわち、二次元的に光を走査させることができる。 The mirror unit supports the mirror body having the reflection surface via a torsion shaft made of an elastic member, elastically deforms the torsion shaft in a resonance state, and swings the mirror body by the drive unit. The mirror unit may include a structure that swings in a direction orthogonal to the direction. According to this, light can be scanned in two orthogonal directions. That is, light can be scanned two-dimensionally.
本発明によれば、安定した光走査を好適に行うことが可能な光走査装置を得ることができる。 According to the present invention, an optical scanning device capable of suitably performing stable optical scanning can be obtained.
本発明を実施するための実施形態について、図面を用いて以下に詳細に説明する。本発明は、以下に記載の構成に限定されるものではなく、同一の技術的思想において種々の構成を採用することができる。例えば、以下に示す構成の一部は、省略しまたは他の構成などに置換してもよい。また、他の構成を含むようにしてもよい。 Embodiments for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited to the configurations described below, and various configurations can be employed in the same technical idea. For example, some of the configurations described below may be omitted or replaced with other configurations. Moreover, you may make it include another structure.
本実施形態の光走査装置10は、外部の光源から入射される光を走査する装置である。光走査装置10は、各種の光学機器に採用される。例えば、網膜走査型のヘッドマウントディスプレイに採用される。光走査装置10は、図1に示すように、揺動部12と、ミラー部14と、支持部16a,16bと、2個の軸受18と、枠体20と、駆動部22とを備える。
The
光走査装置10では、揺動部12とミラー部14と支持部16a,16bとは、一体をなしたシャフト部24を構成する。揺動部12は、単一の円柱の部材を素材として、この素材の中心軸L1の方向(以下、中心軸L1の方向を「軸心方向」ともいう。)の中央部を、中心軸L1と同一面内で軸心方向に垂直な方向(図1の「軸心垂直方向」参照。以下、「軸心垂直方向」ともいう。)に、所定の幅だけ水平に加工して形成されている。揺動部12を形成するために単一の素材の中央部は、円柱の外周面から中心軸L1に向けて、円柱の半径の寸法に相当する深さだけ凹状に加工される。例えば、切削および研磨、圧造またはエッチングなどされる。したがって、揺動部12は、軸心方向に対して垂直な断面が半円形状となる。なお、シャフト部24は、SUS304またはSUS430などのステンレス、チタンまたは鉄などの金属材料によって構成される。
In the
水平に加工して形成された揺動部12を構成する平面は、シャフト部24の中心軸L1を含む平面である。また、揺動部12を構成する平面は、鏡面研磨によって鏡面状態に仕上げられる。すなわち、揺動部12を構成する平面は、ミラー部14を構成し、かつミラー部14の反射面となる。したがって、ミラー部14の反射面は、シャフト部24の中心軸L1を含む平面である。ミラー部14は、反射面において入射される光を所定の方向に反射する。
A plane that forms the swinging
支持部16a,16bは、シャフト部24の軸心方向において揺動部12の両端側に形成されている。シャフト部24は、ミラー部14が形成された揺動部12を支持部16a,16bが間に挟み込むようにして形成されている。支持部16a,16bは、介在部としての軸受18を介して枠体20に取り付けられている。軸受18としては、例えばボールベアリングが採用される。ただし、例えばテフロン(登録商標)などの摩擦係数の小さな樹脂材料を用いた樹脂性軸受など、他の構成が軸受18として採用されても差し支えない。なお、シャフト部24は、それぞれ別部材として構成された揺動部12および支持部16a,16bを、上述した位置関係になるようにして一体に組み立てた構成としてもよい。また、図1では支持部16a側の軸受18は、枠体20にかくれた状態であり、その図示を省略している。
The
枠体20は、光走査装置10の骨格をなす。枠体20は、図1において軸心垂直方向から視たとき、凹状の形状を有する。各構成は、直接または間接的に枠体20に取り付けられ、枠体20に支持されている。例えば、枠体20の側壁部20a,20bにはそれぞれ、中心軸L1の方向に貫通した貫通孔が中心軸L1を中心として形成されている。これら貫通孔には、軸受18が取り付けられる。支持部16a,16bは、側壁部20a,20bに取り付けられた状態の軸受18によって支持される。
The
駆動部22は、軸受18を介して枠体20に取り付けられたシャフト部24を、中心軸L1を中心として所定の範囲往復するように回転させる。なお、図1に示す、中心軸L1を中心とした円弧状の両矢の矢印は、シャフト部24の回転方向を示すものである。駆動部22は、電磁方式の駆動機構である。駆動部22は、電磁コイル224と磁石226とを含む。例えば、電磁コイル224は、ミラー部14の反射面の裏面、すなわち、揺動部12を挟んでミラー部14の反射面と対向する揺動部12の部分に設けられている。具体的に、揺動部12の軸心垂直方向の両側に平板228a,228bが設けられ、電磁コイル224は、この平板228a,228bの下面側(図1に示す矢印「下」参照)、つまり磁石226側の面にそれぞれ設置されている。電磁コイル224は、所定の方向に巻線されている。磁石226は、枠体20上に、電磁コイル224それぞれに接近した状態でかつ対向するように設置されている。
The
電磁コイル224に電流を流すと、電磁コイル224には、磁力が発生する。電磁コイル224の磁力と、磁石226の磁力とによってシャフト部24は、中心軸L1を中心として所定の範囲を往復して回転する。そして、この往復した回転によって、ミラー部14の反射面が回転方向に揺動する。ここで、このミラー部14の反射面は、中心軸L1を含む面であるため、ミラー部14の反射面の揺動も、中心軸L1を中心として行われる。なお、駆動部22は、上記のような電磁方式の他、静電方式または圧電方式など、種々の方式のものを採用することができる。各種の点を考慮しいずれの方式とするかが決定される。電磁方式では、後述する変形例のような構成を採用できる点において好適である。
When a current is passed through the
ここで、光走査装置10では、シャフト部24を支持部16a,16bに装着された軸受18で支持するため、揺動時に、シャフト部24に捩れが生じず、捩れに起因する復元力も生じない。したがって、光走査装置10では、シャフト部24の回転に伴う共振状態が達成されない。そのため、光走査装置10では、光走査装置10が鋸波状などの駆動波形によって駆動されても、光走査装置10の共振周波数に起因するリンギング、すなわち走査光の揺らぎを回避することができる。
Here, in the
次に、図2(a),(b)を参照して、光走査装置10によって得られる有利な効果について説明する。以下では、揺動のための回転の中心となる中心軸が、ミラー部の反射面に含まれない光走査装置を比較対象として説明する。なお、比較対象の光走査装置を、「比較装置」ともいう。比較装置において、光走査装置10が備える構成と同一または同様の構成については、光走査装置10が備える構成に付した符号と同一の符号を用いる。また、図2(a),(b)において、「○」内に「+」が図示されたマークは、ミラー部14の回転の中心であって、反射面の揺動の中心である。
Next, an advantageous effect obtained by the
比較装置についての図2(a)と、光走査装置10についての図2(b)とから明らかなとおり、ミラー部14の反射面が、図2(a),(b)において点線で示すように水平な状態である場合、位置A,B,Cから入射する光の反射状態は、比較装置および光走査装置10において同一である。すなわち、入射する光の全体が反射面で反射される。
As is clear from FIG. 2A for the comparison device and FIG. 2B for the
ミラー部14が所定の角度θだけ回転し、反射面が図2(a),(b)に示す実線の状態となった場合、比較装置では、位置A,Bから入射する光は反射面で反射されるが、位置Cから入射する光は、図2(a)のR部に示すように、反射面に入射せず、反射面が存する位置を通過してしまう。すなわち、比較装置では、光がけられた状態が生じる。一方、光走査装置10では、比較装置のような現象は生じず、入射する光の全体が反射面で反射される。
When the
したがって、光走査装置10は、比較装置に比べ、光がけられるといった現象の発生を低減することが可能である。そして、光走査装置10は、この点において、比較装置と比べて、安定した光走査を好適に実現することができる。光走査装置を設置するスペースの問題で、ミラー部14の反射面の寸法を大きくすることができない状況において、光走査装置10のような構成は、入射する光を幅広く反射させることができるため、特に有利である。
Therefore, the
本実施形態の構成は、次のようにすることもできる。すなわち、上記では、図1に示すように、ミラー部14を含む揺動部12と、支持部16a,16bとによって構成されるシャフト部24が、支持部16a,16bに装着された軸受18を介して両持ち支持された光走査装置10を例に説明した。この他、いずれか一方の支持部に軸受が装着され、シャフト部が片持ち支持された光走査装置とすることもできる。このような光走査装置によっても、光走査装置10と同じく、図2(b)に示す光の反射状態を実現することができる。なお、片持ち支持された光走査装置とする場合、光走査装置10のシャフト部24とは異なる形状としてもよい。図1に示す光走査装置10の構成を例に説明すると、揺動部12の両端側に形成された支持部16a,16bのうち、軸受18が装着されない支持部16aまたは支持部16bが省略された形状のシャフト部としてもよい。この場合、軸受18が省略される側の枠体20の側壁部20aまたは側壁部20bでは、軸受18を取り付けるための貫通孔が省略される。
The configuration of the present embodiment can also be as follows. That is, in the above, as shown in FIG. 1, the
また、上記では、図1に示すように、揺動部12に形成された平面をミラー部14として構成した光走査装置10を例に説明した。この他、光走査装置10は、図3(a),(b)に示す光走査装置50とすることもできる。光走査装置50について、図3(a),(b)および図4(a),(b)を参照して説明する。なお、以下では、光走査装置50において、光走査装置10が備える構成と同一または同様の構成については、光走査装置10が備える構成に付した符号と同一の符号を用いる。そして、光走査装置10と同一または同様の光走査装置50の構成などについて、その説明は省略する。
In the above description, as illustrated in FIG. 1, the
光走査装置50は、光走査装置10と同じく、揺動部52と、ミラー部54と、支持部16a,16bと、2個の軸受18と、枠体20と、駆動部22とを備える。光走査装置50では、揺動部52と支持部16a,16bとは、一体をなしたシャフト部64を構成する。揺動部52は、揺動部12と同様の手法によって形成される。揺動部52は、単一の円柱の部材を素材として、この素材の中心軸L2の方向(以下、中心軸L2の方向を「軸心方向」ともいう。)の中央部を、中心軸L2と同一面内で軸心方向に垂直な方向(図4(a)の「軸心垂直方向」参照。以下、「軸心垂直方向」ともいう。)に、所定の幅だけ水平に加工して形成されている。
Similar to the
揺動部52を形成するために単一の素材の中央部は、円柱の外周面から中心軸L2に向けて、円柱の半径の寸法に相当する深さより深く凹状に加工される。すなわち、後述するようにミラー部54が揺動部52に固定された状態で、ミラー部54の反射面が、中心軸L2を含む面(平面)となるような深さに加工される。揺動部52では、水平に加工して形成された平面は、鏡面となるよう研磨などされない。光走査装置50では揺動部52において、支持部16aとの境界部Dに、軸心方向に対して平行で水平な平面(以下、「取付面」ともいう。)を含む段部522が形成される。段部522の取付面には、ミラー部54が片持ち支持された状態で固定される。この固定には、例えば接着剤、レーザを用いた溶接、所定の締め具を用いたクランピングなどが用いられる。段部522の取付面に固定された状態で、ミラー部54は、その反射面が上側(図3(b)に示す矢印「上」参照)に向けて固定される。
In order to form the
ミラー部54が固定された揺動部52と、支持部16a,16bとが一体で形成されたシャフト部64は、光走査装置10と同じく、軸受18それぞれを介して枠体20の側壁部20a,20b間に回転可能に取り付けられる。なお、シャフト部64は、シャフト部24と同じく、それぞれ別部材として構成された揺動部52および支持部16a,16bを、一体に組み立てた構成としてもよい。光走査装置50で駆動部22は、平板228a,228bを用いて、光走査装置10と同一の状態で設置されている。したがって、枠体20に取り付けられた状態で、駆動部22が駆動すると、シャフト部64は、中心軸L2を中心として所定の範囲を往復して回転する。シャフト部64の回転方向は、光走査装置10の場合と同一である。したがって、揺動部52に固定されたミラー部54の反射面は、シャフト部64が中心軸L2を中心として往復して回転することによって、中心軸L2を中心として回転方向に揺動される。
The
ミラー部54は、例えば特開2006−293116号公報に記載の光スキャナなど、ピエゾ方式のミラーユニットによって構成される。ミラー部54は、図4(a),(b)に示すように、ベース部70と、ミラー本体72と、捩れ軸74a,74bと、延端部75と、ピエゾ素子76とを有する構造体を含む。ベース部70には、耳部702a,702bが形成されている。ベース部70には、ピエゾ素子76が固定されている。耳部702a,702bはそれぞれ、段部522に接して固定されるベース部70の部分(例えば、図4(b)で二点鎖線で示す段部522に接した部分参照)と反対側となる部分で、かつ軸心垂直方向においてベース部70の両側となる部分から、軸心方向の右側(図4に示す矢印「右」参照)に延出するように形成されている。耳部702a,702bはそれぞれ対向した位置関係で配置されている。
The
延端部75は、耳部702a,702bの軸心方向の右側端部それぞれを、軸心垂直方向に接続する。ベース部70と、耳部702a,702bと、延端部75とによって、開口部78が形成される。なお、開口部78は、ミラー本体72が設置されるための空間となる。ミラー本体72は、反射面において入射される光を所定の方向に反射する。捩れ軸74a,74bそれぞれは、図4(a)に示すように、耳部702a,702bそれぞれに接続されている。捩れ軸74a,74bそれぞれは、開口部78を軸心方向に分割するようにして、軸心垂直方向に耳部702a,702bそれぞれから中心軸L2側に向けて形成され、ミラー本体72を支持する。片持ち支持されたミラー部54において、捩れ軸74a,74bによって支持されたミラー本体72は、揺動部52の水平な平面から浮き上がった状態となる。なお、ベース部70は、弾性を有する導電性材料、具体的にはSUS304またはSUS430などのステンレス、チタンまたは鉄などの金属材料によって構成される。
The
ピエゾ素子76は、所定の電圧が印加されると変形する。ミラー部54を構成する構造体では、このピエゾ素子76への電圧のオン・オフを繰り返し、ピエゾ素子76を繰り返して変形させることで、共振状態が形成される。したがって、ピエゾ素子76は、共振状態を形成するための駆動源として機能する。ピエゾ素子76に対する電圧のオン・オフは、構造体の共振周波数に合わせたタイミングで行われる。
The
このような構成を有するミラー部54は、上述したとおり、ミラー本体72の反射面が、中心軸L2を含む面となるように段部522に固定されている。ミラー部54では、ピエゾ素子76の繰り返される変形にともない、段部522とミラー部54との固定位置を固定端とし、ミラー本体72の揺動軸L3を節とする定在波が生じる。この定在波は、捩れ軸74a,74bに対して、揺動軸L3周りの捩れ振動を誘起する。そして、ミラー本体72は、この捩れ振動によって、図4(b)に示す両矢の矢印方向に往復して振動(回転)する。ミラー本体72の反射面は、この振動方向(回転方向)に揺動する。なお、図4(b)において二点鎖線で示す2つのミラー本体72は、それぞれの方向に振動した状態におけるミラー本体72を示すものである。
As described above, the
ここで、ミラー部54を含む構造体による揺動方向は、駆動部22による中心軸L2を中心とした揺動方向に直交する。したがって、光走査装置50では、互いに直交する二方向にミラー部54(ミラー本体72)の反射面を揺動させることが可能となり、入射する光を二次元方向に走査させることができる。なお、光走査装置50についても、上記同様、シャフト部64が片持ち支持された構成としてもよい。
Here, the swinging direction by the structure including the
10,50 光走査装置
12,52 揺動部
14,54 ミラー部
16a,16b 支持部
18 軸受
20 枠体
22 駆動部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
揺動部と、
入射される光を反射する反射面を有するミラー部と、
前記揺動部を支持する支持部と、
前記支持部を前記枠体に取り付けるための介在部と、
前記揺動部と前記ミラー部と前記支持部とを回転させ、前記反射面を揺動させる駆動部とを備え、
前記揺動部は、前記ミラー部を含み、
前記反射面は、前記揺動部と前記支持部とをとおり、前記駆動部による揺動のための回転の中心となる中心軸を含む面であることを特徴とする光走査装置。 A frame,
A rocking part;
A mirror portion having a reflecting surface for reflecting incident light;
A support part for supporting the rocking part;
An interposition part for attaching the support part to the frame;
A drive unit that rotates the swinging unit, the mirror unit, and the support unit to swing the reflecting surface;
The swing part includes the mirror part,
The optical scanning device according to claim 1, wherein the reflection surface is a surface including a central axis that passes through the swinging portion and the support portion and serves as a center of rotation for swinging by the driving portion.
前記介在部は、柱状の部材の前記支持部に装着される軸受によって構成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光走査装置。 The support part is a columnar member,
The optical scanning device according to claim 1, wherein the interposition part is configured by a bearing attached to the support part of a columnar member.
前記電磁コイルまたは前記磁石のいずれかは、前記揺動部に設けられていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の光走査装置。 The drive unit includes an electromagnetic coil and a magnet provided at a position where a magnetic force can act on the electromagnetic coil,
5. The optical scanning device according to claim 1, wherein either the electromagnetic coil or the magnet is provided in the swinging portion. 6.
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2010
- 2010-03-20 JP JP2010065298A patent/JP2011197485A/en active Pending
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