JP3137219U - Ｍｅｍｓ振動レーザスキャナ - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビームがＭＥＭＳ振動反射鏡に入射する光点小さくして反射鏡面の有効径を小さくし、製造コストを下げる。
【解決手段】ＭＥＭＳ制御モジュール１、プレスキャンモジュール２、ポストスキャンモジュール３及びハウジング４を備える。目標面５の対面側の同一側にレーザ光源１１とＭＥＭＳ振動反射鏡１２が配置される。レーザ光源１１により入射されたレーザビーム１１１はプレスキャンモジュール２の反射鏡で反射され、反射ビーム１１１はＭＥＭＳ振動反射鏡１２の中心軸１２１と振動回転軸１２３が構成する面に沿ってＭＥＭＳ振動反射鏡１２の中心点１２１に入射される。ＭＥＭＳ振動反射鏡１２の中心軸１２１に対して対称になる走査により、スキャンビーム１１３の光点サイズがＭＥＭＳ振動反射鏡１２の中心軸１２１に対して対称として、光点を最小化する。
【選択図】図５

Description

本考案は、ＭＥＭＳ振動レーザスキャナに関し、特に目標面の対面側の同一側にレーザ光源とＭＥＭＳ振動反射鏡が配置され、レーザ光源によりプレスキャンモジュールに入射されたレーザビームは反射鏡で方向を逆方向に変えられる。方向を逆転されたレーザビームはＭＥＭＳ振動反射鏡の中心軸と振動回転軸により構成される平面に沿ってＭＥＭＳ振動反射鏡の中心点に入射され、ＭＥＭＳ振動反射鏡の中心軸を中心に対称になるような走査方法によりポストスキャンモジュールのｆθレンズに入射するＭＥＭＳ振動レーザスキャナに関する。

レーザスキャナ（ＬＳＵ）は、一般的に回転多面鏡(polygon mirror) を用いて、高速回転でレーザビームスキャンを制御する。回転速度制限、高価格、高騒音、長起動時間などの要因で、徐々に高速及び高精度の要求を満たすことができなくなってきた。最近、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ，Micro Electro Mechanical System）振動反射鏡が考案され、その走査効率(Scanning efficiency)は、従来の回転多面鏡より高く、軽量、小型、丈夫、高速振動周波数といった長所を有するため、従来の回転多面鏡に取って代わった。

レーザスキャナ内において、ＭＥＭＳ振動反射鏡は、共振磁場が反射鏡面を駆動して、Y軸を軸心としてX方向に往復振動させて、ＭＥＭＳ振動反射鏡に入射されたレーザビームを、Z軸の異なる角度に反射させることができる。ＭＥＭＳ振動反射鏡は、光波長を無視することができるので、高解析度、高回転角度といった長所を有する。そのため、図１及び図２に示す特許文献１〜６のように、広範囲において用いられる。
米国特許第5,408,352号明細書 米国特許第5,867,297号明細書 米国特許第6,947,189号明細書 米国特許第7,190,499号明細書 台湾特許第 M253133号公報 特開 2006-201350号公報

従来のレーザスキャナにおいて、レーザビームが回転多面鏡またはＭＥＭＳ振動反射鏡に入射する方式には、斜入射及び正入射の二種があるが、それぞれ短所及び限界を有する。まず、斜入射について述べる。図１〜４に示すように、特許文献７〜９では、レーザビームを回転多面鏡またはＭＥＭＳ振動反射鏡に斜めに直接照射する。レーザビームは、反射鏡の裏側からＭＥＭＳ振動反射鏡に斜入射するが、以下で述べる二つの原因によりレーザビームが反射された時、偏差が生じる。第一の原因は、組立時に、レーザビームが組立公差を有し、異なる入射角度により、回転多面鏡またはＭＥＭＳ振動反射鏡が走査を行なった後に、スキャンビームが偏移を起こしてしまうことである。従来の解決方法は、精密かつ度重なる調整によりレーザビームの射出角度と一致するように調整することである。第二の原因は、レーザビームが回転多面鏡を介してから、走査角度と時間との関係が直線性を有するということである。しかし、レーザビームがＭＥＭＳ振動反射鏡を介してからの走査角度と時間との関係は、非直線性(non-linearity)である。図１〜４に示すように、レーザビームＰ１がＭＥＭＳ振動反射鏡Ｐ２に斜入射し、反射走査を行なう。スキャンビームＰ３がｆθレンズＰ４（又はfsinθ）に入射して、目標面Ｐ５に照射されて、直線走査を行なう。スキャンビームＰ３がｆθレンズＰ４（又はfsinθ）に入射される中心軸Ｐ６の左側及び右側の入射角度が異なる。これをＹ方向偏移と呼ぶが、図４に示すように、θ₁≠θ₂である。
従来のｆθレンズは、特許文献１０〜１１のように、異なる曲面により左側及び右側の光学面を構成して、できる限り偏差を小さくして、線性化されたｆθレンズを設計して補償した。しかし、傾き(Skew)及び湾曲(Bow)という二つの現象が生じてしまった。特許文献１２のように、湾曲(Bow)現象を解決しようとしたが、相対的にｆθレンズの製作に於ける困難とコストを増加させた。
米国特許第7,184,187号明細書 米国特許出願公開第2006/0050346号明細書 米国特許第6,956,597号明細書 米国特許第6,330,524号明細書、 台湾特許第 I250781号公報 米国特許第6,232,991号明細書

次に、正入射について述べる。特許文献５は、レーザビームを回転多面鏡に正入射する。多面鏡の鏡面（一般的に六面鏡）は、回転軸心の外周に配置され、鏡面上のどの点も回転軸心からの距離が異なる。もし、レーザビームが回転多面鏡に正入射すると、反射点は異なる点上で、Ｙ軸方向偏移を起こしてしまう。また、参考文献６は、レーザビームをＭＥＭＳ振動反射鏡に直接照射する。しかし、ＭＥＭＳ振動反射鏡が三角形のプリズムであるため、レーザビームはビームの中心がガウス分布を呈し、振動する三角プリズムの頂点に入射すると、レーザビームは振動する三角プリズム上の二つの異なる各殿反射面に反射されて、二つのレーザビームとなる。三角プリズムの頂点は、反射鏡の振動により位置を変えるため、反射されたレーザビームは新たにガウス分布を呈し、反射点及び反射後のレーザビームのサイズも反射鏡の振動により変化が起きる。
特開平08-334716 特開2006-276133号公報 米国特許第6,690,498号明細書 米国特許出願公開第2007/0002446号明細書 米国特許出願公開第2006/0279826号明細書

Ｙ軸方向偏移がＭＥＭＳ振動反射鏡の中心軸の左右両側の光点サイズの不対称を起し、左右両側の走査解析度の違いを招いた。もし、ｆθレンズ（又はfsinθ）を用いて左右両側の異なる光学面を構成すれば、補償できた。しかし、上記の特許文献１２のように、傾き及び湾曲という二つの現象が生じてしまった。光点偏移は、ｆθレンズの光学面を用いて補償することができなかった。

カラープリンタ又はスキャナに用いられるレーザスキャナは、黒、赤、黄色、青緑の四色を有し、スキャン光学デバイスが四組必要である。特許文献１８は、レーザ光源二組及びＭＥＭＳ振動反射鏡四組を使用する。特許文献１９は、レーザ光源四組及びＭＥＭＳ振動反射鏡四組を使用する。ＭＥＭＳ振動反射鏡は、コストが高いため、一つのＭＥＭＳ振動反射鏡しか用いないカラレーザスキャナを開発することが必要であった。
米国特許第6,690,498号明細書（2006/0279826号明細書） 台湾特許第I268867号公報

本考案の目的は、レーザビームがＭＥＭＳ振動反射鏡に斜入射して不対称を招くのを防止し、不対称が起こした光点の拡大または光学設計上の困難を減少させ、ＭＥＭＳ振動反射鏡の反射鏡面の有効径を小さくして、製造コストを下げるＭＥＭＳ振動レーザスキャナを提供することにある。

上述の目的を達成するため、本考案はＭＥＭＳ振動レーザスキャナを提供する。本考案のＭＥＭＳ振動レーザスキャナは、ＭＥＭＳ制御モジュール、プレスキャンモジュール、ポストスキャンモジュール及びハウジングを備える。目標面の対面側の同一側にレーザ光源とＭＥＭＳ振動反射鏡が配置される。レーザ光源によりプレスキャンモジュールに入射されたレーザビームは反射鏡で方向を逆方向に変えられる。方向を逆転されたレーザビームはＭＥＭＳ振動反射鏡の中心軸と振動回転軸により構成される平面に沿ってＭＥＭＳ振動反射鏡の中心点に入射される。ＭＥＭＳ振動反射鏡の中心軸をもって対称になるような走査方法によりポストスキャンモジュールのｆθレンズに入射する。スキャンビームの光点サイズがＭＥＭＳ振動反射鏡の中心軸をもって対称となるようにして、ｆθレンズの設計の困難を簡素化し、レーザスキャナの体積を縮小させる。

ＭＥＭＳ振動レーザスキャナは、少なくとも以下の三つの長所を有する。第一に、スキャンビームは、Ｘ軸において、対称であるため、従来のレーザビームがＭＥＭＳ振動反射鏡に斜入射して不対称を招いたことを防止することができる。これにより、不対称が起こした光点の拡大または光学設計上の困難を減少させることができる。

第二に、ＭＥＭＳ振動反射鏡の反射鏡面の有効径は、従来のものより小さくできるので、製造コストを下げるとともに重量を減少させ、相対的に走査周波数を向上させることができる。

第三に、レーザ光源、ＭＥＭＳ振動反射鏡、第１のセンサなどは、同一の片側に配置でき、同一の電路板上に配置するように設計できるので、完璧なＭＥＭＳ制御モジュールが完成でき、製造、組立、メンテナンスなどの作業を簡素化し、効果的にコストを削減することができる。

以下、本考案の実施形態を図面に基づいて説明する。図５は、本考案の実施形態によるＭＥＭＳ振動レーザスキャナを示す断面図である。図６は、図５の上半部を示す平面図である。図７は、図５の下半部を示す平面図である。図８は、図５の断面図ある。図９は、図５のレーザビームがＭＥＭＳ振動レーザスキャナに正入射する状態を示す斜視図である。図１０は、図５のＭＥＭＳ振動レーザスキャナ反射シリンダーレンズを示す斜視図である。図１１は、図５のＭＥＭＳ振動レーザスキャナがレーザビームを対称なスキャンビームにする状態を示す斜視図である。図５〜１１に示すように、本考案のＭＥＭＳ振動レーザスキャナは、ＭＥＭＳ制御モジュール（ＭＥＭＳ control module）１、プレスキャンモジュール(Pre-scan Module)２、ポストスキャンモジュール(Post-scan Module)３及びハウジング (Housing)４を備える。ＭＥＭＳ制御モジュール１は、レーザ光源(Laser Source)１１、ＭＥＭＳ振動反射鏡１２、制御電路板(Control PCB)１３及び第１のセンサ(First Sensor)１４を有する。プレスキャンモジュール２は、コリメータレンズ(Collimator Lens)２１、シリンダーレンズ(Cylinder Lens)２２及び反射鏡(Reflection Mirror)２３を有する。図５及び図６に示すように、本考案の特徴は、レーザ光源１１及びＭＥＭＳ振動反射鏡１２が目標面５の対面側の同一側に配置され、レーザ光源１１がレーザ光線１１１を照射すると、コリメータレンズ２１を介してレーザ光線が平行光線に変えられ、シリンダーレンズ２２により反射鏡２３上に焦点を集めるように照射される。図５及び図７に示すように、反射鏡２３は、レーザ光線１１１を逆方向のレーザビーム(Laser Beam)１１２に変えて、ＭＥＭＳ振動反射鏡１２の中心軸（Z軸）１２１と振動回転軸（Y軸）１２３が構成する平面（X-Z平面）に沿ってレーザビーム１１２をＭＥＭＳ振動反射鏡１２の中心点１２２に焦点を集めるように照射する。
レーザビーム１１２を走査してスキャンビーム(Scanning Beam)１１３にして、ポストスキャンモジュール３の第１のｆθレンズ３１（First fθ Lens）（３２）に入射させる。

図５〜７に示すように、上記した反対方向についてであるが、反射鏡２３からＭＥＭＳ振動反射鏡１２の中心に至るレーザビーム１１２の光軸と、レーザ光源１１からコリメータレンズ２１またはシリンダーレンズ２２を介して反射鏡２３に至るレーザ光線１１１の光軸とは同一のY-Z平面上に位置し、方向は反対であるが、Ｙ軸方向偏移は起きない。

ポストスキャンモジュール３は、第１のｆθレンズ３１（３２）及び第１の範囲外反射鏡 (First Over-range Mirror)３３（３４）を有する。第１のｆθレンズ３１（３２）は、ＭＥＭＳ振動反射鏡１２が形成するスキャンビームを、走査角度と時間関係とが線性化関係のイメージングビーム(Imaging Beam)１１４に変えて、目標面５上に照射して像となす。第１の範囲外反射鏡３３（３４）は、目標面５の成像範囲を超えたオーバーレンジビーム(Over-range Beam)１１５、１１６（図７参照）を反射させてＭＥＭＳ制御モジュール１に戻す。第１のセンサ(Ｆirst Sensor)１４、第２のセンサ(Second Sensor)１５によりこの反射ビームが電子信号に変換されて、ＭＥＭＳ制御モジュール１が信号処理及び出力を行なう。また、第１のｆθレンズ３１（３２）は、例えば、第１のｆθレンズ３１と第２のｆθレンズ(Second fθ Lens)３２のように、一枚又は二枚と設計しても良いし、複数のレンズ構造でも良い。第１の範囲外反射鏡３３（３４）は、第１の範囲外反射鏡３３と第２の範囲外反射鏡 (Second Over-range Mirror)３４（図６及び図７参照）のように、一枚又は二枚と設計しても良いし、複数のレンズ構造でも良い。第１のセンサ１４、第２のセンサ１５は、第１の範囲外反射鏡３３（３４）の数量に対応する。第１のセンサ１４と第２のセンサ１５のように、一つ又は二つと設計しても良いし、複数の構造でも良くて、ＭＥＭＳ制御モジュール１上に配置される。ハウジング４は、各光学デバイスを配置収納して、相対的位置及び制度を維持するため、外部と遮断させる。

ＭＥＭＳ振動反射鏡の有効径(clear aperture)Dと、入射レーザ光線のビームサイズ(Beam size)dとは、以下のような関係にある。

Φは、レーザビーム１１２とＭＥＭＳ振動反射鏡１２の反射面との夾角である。レーザビーム１１２は、ＭＥＭＳ振動反射鏡１２に正入射するため、Φはほぼ９０°で、Dはｄに近い。そのため、ＭＥＭＳ振動反射鏡１２の反射鏡面は、小さく製造することができる。また、もしレーザビーム１１２がＭＥＭＳ振動反射鏡１２に斜入射したら、Φは９０°以下になり、ＭＥＭＳ振動反射鏡１２の有効径Dは、ｄより大きくなるため、ＭＥＭＳ振動反射鏡１２の反射鏡面は縮小させることができない。

前記のシリンダーレンズ２２及び反射鏡２３は、二つの個別の物体であるが、実際に用いる時には、図８に示すように、反射シリンダーレンズ(reflection cylinder lens)２４として設計することができる。そのため、光程を縮小し、相対的にレーザスキャナの体積を縮小させることができる。また、光学デバイスを減らし、相対的にコストを下げることができる。反射シリンダーレンズ２４は、凹面シリンダーレンズで、一方の面に反射膜が塗られており、反射鏡２３の反射機能及びシリンダーレンズ２２の焦点を合わせる機能を同時に有する。

本考案のレーザスキャナは、設計時に、光程によりハウジング４内に各光学デバイスの位置及び角度設計する。図５に示すように、光程計算を経て、ハウジング４内に各光学デバイスのスロット(slot)４１またはペデスタル（pedestal）４２をあらかじめ設ける。これにより、各光学デバイスは、スロット４１またはペデスタル４２内に固定するだけでよく、迅速に組立を行なうことができ、公差範囲内におさめることができる。

ＭＥＭＳ振動反射鏡１２は、共振周波数振動を利用するが、共振周波数は温度影響を受けやすいため、本考案のレーザスキャナ内部の第１のｆθレンズ３１が発生させた熱量は、当然放熱させねばならない。ハウジング４の第１のｆθレンズ３１のペデスタル４２は、アルミニウムなどの熱伝導性の良好な金属で作るのが良く、金属性のハウジング４と固着させ、第１のｆθレンズ３１が発生させた熱量をペデスタル４２を介して、ハウジング４から外部に放熱する。

図１２は、本考案のもう一つの実施形態によるＭＥＭＳ振動レーザスキャナ（カラー）を示す斜視図である。図１２に示すように、本考案のレーザスキャナがカラープリンタ又はスキャナに用いられたものである。ＭＥＭＳ振動レーザスキャナは、ＭＥＭＳ制御モジュール１、プレスキャンモジュール２、ポストスキャンモジュール３内の各光学デバイス、及びその他の必要なデバイスを収納するハウジング４を備える。ＭＥＭＳ制御モジュール１は、制御電路板１３を有し（図9参照）、図１２に示すようにその一方の側面にはレーザ光源１１ａ〜１１ｄ及びＭＥＭＳ振動反射鏡１２を配置する。プレスキャンモジュール２は、コリメータレンズ２１ａ〜２１ｄ、シリンダーレンズ２２ａ〜２２ｄ及び反射鏡２３ａ〜２３ｄを有する。ポストスキャンモジュール３は、第１のｆθレンズ３１ａ〜３１ｄを有する。レーザ光源１１ａ〜１１ｄ及びＭＥＭＳ振動反射鏡１２は、目標面５ａ〜５ｄの対面側の同一側に配置される。レーザ光源１１ａ〜１１ｄは、ＭＥＭＳ振動反射鏡１２の上方または下方に配置される。カラーの実施形態中の各光学デバイス、機能、技術特徴、組立方法などは、図５〜１１で示した単色の実施形態と同一である。

本考案では好適な実施形態を前述の通りに開示したが、これらは決して本考案を限定するものではなく、当該技術を熟知する者は誰でも、本考案の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って、本考案の保護の範囲は、実用新案請求の範囲で指定した内容を基準とする。

従来のＭＥＭＳ振動レーザスキャナを示す平面図である。 従来のもう一つのＭＥＭＳ振動レーザスキャナを示す斜視図である。 従来のＭＥＭＳ振動レーザスキャナを示す平面図である。 図３のＭＥＭＳ振動レーザスキャナがレーザビームを不対称なスキャンビームにする状態を示す斜視図である。 本考案の実施形態によるＭＥＭＳ振動レーザスキャナを示す断面図である。 図５の上半部を示す平面図である。 図５の下半部を示す平面図である。 図５の断面図ある。 図５のレーザビームがＭＥＭＳ振動レーザスキャナに正入射する状態を示す斜視図である。 図５のＭＥＭＳ振動レーザスキャナ反射シリンダーレンズを示す斜視図である。 図５のＭＥＭＳ振動レーザスキャナがレーザビームを対称なスキャンビームにする状態を示す斜視図である。 本考案のもう一つの実施形態によるＭＥＭＳ振動レーザスキャナ（カラー）を示す斜視図である。

符号の説明

1、ＭＥＭＳ制御モジュール（ＭＥＭＳ control module）
2、プレスキャンモジュール(Pre-scan Module)
3、ポストスキャンモジュール(Post-scan Module)
4、ハウジング(Housing)
5、5a~5d、目標面(Target)
11、11a~11d、レーザ光源(Laser Source)
12、ＭＥＭＳ振動反射鏡
13、制御電路板(Control PCB)
14、第１のセンサ(Ｆirst Sensor)
15、第２のセンサ(Second Sensor)
21、21a~21d、コリメータレンズ (Collimator Lens)
22、22a~22d、シリンダーレンズ (Cylinder Lens)
23、23a~23d、反射鏡 (Reflection Mirror)
24、反射シリンダーレンズ (Reflection Cylinder Lens)
31、31a~31d、第１のｆθレンズ（First fθ Lens）
32、第２のｆθレンズ(Second fθ Lens)
33、第１の範囲外反射鏡(First Over-range Mirror)
34、第２の範囲外反射鏡(Second Over-range Mirror)
41、スロット (slot)
42、ペデスタル（pedestal）
111、111a~111d、レーザ光線(Laser Light)
112、112a~112d、レーザビーム(Laser Beam)
113、113a~113d、スキャンビーム(Scanning Beam)
114、114a~114d、イメージングビーム( Imaging Beam)
115、116、オーバーレンジビーム(Over-range Beam)
121、中心軸
122、中心点
123、振動回転軸

Claims (6)

1. ＭＥＭＳ制御モジュール、プレスキャンモジュール及びポストスキャンモジュールを備えるＭＥＭＳ振動レーザスキャナであって、
   前記ＭＥＭＳ制御モジュールは、目標面の対面側の同一側に配置されて、一つ以上のレーザ光源、ＭＥＭＳ振動反射鏡及び制御電路板を有し、
   前記レーザ光源は、前記プレスキャンモジュールにレーザビームを照射し、前記ＭＥＭＳ振動反射鏡は、振動により前記ポストスキャンモジュールに入射された前記レーザビームを反射走査し、
   前記制御電路板は、電子信号の発生及び受信を行ない、前記レーザ光源及び前記ＭＥＭＳ振動反射鏡を制御し、
   前記プレスキャンモジュールは、一つ以上の反射鏡を有して前記レーザ光源により入射された前記レーザビームの方向を逆方向に変え、方向を逆転された前記レーザビームは前記ＭＥＭＳ振動反射鏡の中心軸と振動回転軸により構成される平面に沿って前記ＭＥＭＳ振動反射鏡の中心点に入射され、
   前記ポストスキャンモジュールは、一つ以上のｆθレンズを有して、該ｆθレンズは前記ＭＥＭＳ振動反射鏡が反射する前記レーザビームに対応して配置されて反射後の前記レーザビームは前記ｆθレンズに入射され、再び前記目標面に照射されて等速直線走査を行なうことを特徴とするＭＥＭＳ振動レーザスキャナ。
2. 前記プレスキャンモジュールは、一つ以上のコリメータレンズ及び一つ以上のシリンダーレンズをさらに有することを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ振動レーザスキャナ。
3. 前記プレスキャンモジュールは、一つ以上の前記コリメータレンズ及び一つ以上の前記シリンダーレンズをさらに有し、
   前記コリメータレンズは、前記レーザ光源により入射された前記レーザビームを受けて平行な前記レーザビームに変えて、前記シリンダーレンズに入射させ、
   前記シリンダーレンズは、前記レーザビームの方向を逆方向に変えて、方向を逆転された前記レーザビームは前記ＭＥＭＳ振動反射鏡の前記中心軸と前記振動回転軸により構成される平面に沿って前記ＭＥＭＳ振動反射鏡の前記中心点に入射されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ振動レーザスキャナ。
4. 前記ポストスキャンモジュールの前記ｆθレンズは、一枚の前記ｆθレンズ、二枚の前記ｆθレンズ、又は二以上のレンズからなることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ振動レーザスキャナ。
5. 前記ＭＥＭＳ振動レーザスキャナは、ハウジングを備え、前記ハウジングには前記ＭＥＭＳ制御モジュール、前記プレスキャンモジュール及び前記ポストスキャンモジュールの各光学デバイスに対応するスロットまたはペデスタルが配置され、各光学デバイスは、前記スロットまたは前記ペデスタル内に固定されることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ振動レーザスキャナ。
6. 前記ハウジングは、全部または一部が金属で作られ、前記ｆθレンズが対応する前記スロットまたは前記ペデスタルは金属または熱伝導性を有する材料で作られ、前記ｆθレンズが発生させた熱量を前記スロットまたは前記ペデスタルを介して、前記ハウジングに熱伝導させて放熱することを特徴とする請求項５に記載のＭＥＭＳ振動レーザスキャナ。

Images