JP5163677B2 - 光走査装置及び光走査装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザー光等の光の走査を行う光走査装置及びこれを製造する技術に関する。

特許文献１や特許文献２などに示されるように、振動するミラーによりレーザー光の走査を行う光走査装置が知られている。このような光走査装置５０は、図７に示されるように、梁部１３で回動可能に支持されたミラー１２を、梁部１３が接続される伝達部１４上に接着された駆動部３０で共振させて回動させることにより、ミラー１２に入射する光を走査する構造のものである。伝達部１４の一端には、被固定部１５が形成されている。特許文献２の図１９に示されるように、被固定部１５は、固定台２０にメカクランプにより固定されて、伝達部１４が固定台１１に固定されている。

特開２００６―２９３１１６号公報 ＷＯ２００８／０４１５８５号公報

従来では、メカクランプにより、被固定部１５が固定台１１に固定されていたため、伝達部１４と固定台１１との接合強度が十分でなく、また製造された光走査装置５０によって、前記接合強度にばらつきがあるという問題があった。このため、製造された光走査装置５０によっては、駆動部３０で生成された振動が大きく減衰してしまい、結果として、設計値通りの性能を確保することができずに不良品となってしまう製品が発生することがあった。
また、従来の固定方法では、モデルチェンジの度にメカクランプを行うための治具を新規に製作する必要があり、製造コストが増大してしまうという問題があった。更に、メカクランプ部によって、光走査装置５０が大型化してしまうという問題もあった。
本発明は、上記問題を解決し、伝達部と固定台の接合強度を向上させて、駆動部で生成された振動の減衰を抑制し、不良品の発生を低減させることができる光走査装置及び光走査装置の製造法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、
光を反射するミラーと、
前記ミラーの両側を支持し、前記ミラーから離れる方向に延出する梁部と、
前記梁部が接続される伝達部と、
前記伝達部に振動を加え、前記ミラーを揺動させる駆動部と、
前記伝達部が固定される固定台とを有し、
前記伝達部の一端には、前記固定台に対して固定される被固定部が形成され、
前記伝達部は、前記被固定部と前記固定台とが溶接される複数の溶接点によって、前記固定台に固定されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
被固定部と固定台との複数の溶接点は前記被固定部の長手方向に沿って直線状に配置され、前記溶接点の数は３以上の奇数であり、
前記複数の溶接点のうち、前記長手方向において中心に位置する中心溶接点は、ミラーの重心を通過し且つ前記長手方向に直交する直線上に位置し、
前記ミラーの重心を通過し且つ前記長手方向に直交する直線に対して、ミラー、梁部、伝達部、駆動部、及び被固定部が対称に形成されることを特徴とする。
これにより、被固定部の長手方向の中心を最初に溶接することが可能となり、このため、水平方向に関して、伝達部が固定台に対して傾いて接合されることを防止することが可能となる。また、前記ミラーの重心を通過し且つ前記長手方向に直交する直線を挟んで右側と左側で、ミラーの回動特性の異なりを防止することが可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、
複数の溶接点は、等間隔に設けられることを特徴とする。
これにより、溶接点の近接による熱応力の集中を防止し、水平方向に関して、伝達部が固定台に対して微少に傾いて接合されることを防止することが可能となる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３に記載の発明において、
溶接点の直径をｄ、隣接する溶接点の中心間距離をλとした場合に、前記ｄ及びλを下式１を満たすように設定したことを特徴とする。
０．２１≦ｄ／λ≦０．６２…（式１）
これにより、被固定部と固定台とのせん断破壊応力の低下を防止するとともに、ジッタ特性の劣化を防止することが可能となる。

本発明の光走査装置を製造する方法の発明である請求項５に記載の発明は、
前記ミラーの両側を支持し、前記ミラーから離れる方向に延出する梁部と、
前記梁部が接続される伝達部と、
前記伝達部に振動を加え、前記ミラーを揺動させる駆動部と、
前記伝達部が固定される固定台とを有し、
前記伝達部の一端には、前記固定台に対して固定される被固定部が形成された光走査装置の製造方法であって、
前記被固定部と前記固定台を、前記被固定部の中心、前記被固定部の一端、前記被固定部の他端の順に、溶接することを特徴とする。
これにより、水平方向に関して、伝達部が固定台に対して傾いて接合されることを防止することが可能となる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、
被固定部の中心及び一端の溶接点の間、及び被固定部の中心及び他端の溶接点の間を溶接することを特徴とする。
これにより、溶接点の近接による熱の集中による熱応力の集中を防止し、微少に、基板が固定台に対して傾いてしまうことを防止することが可能となる。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、
被固定部の中心及び一端の溶接点の間、及び被固定部の中心及び他端の溶接点の間を複数の溶接点において溶接する場合には、被固定部の中心から遠い位置から溶接することを特徴とする。
これにより、レーザー溶接による被固定部の固定台に対する回転ズレを抑制することが可能となる。

本発明によれば、伝達部の一端に形成された被固定部を、その被固定部上の複数の溶接点をレーザー溶接により、固定台に接合させたので、被固定部と固定台が確実に固着され、伝達部とベース台の接合強度を向上させることが可能となる。このため、駆動部で生成された振動の減衰を抑制し、不良品の発生を低減させることが可能となる。
また、モデルチェンジの度に、メカクランプを行う治具を新規に製作する必要が無く、製造コストが増大することがない。更に、メカクランプにより光走査装置が大型化してしまうことを防止することができる。

本発明の実施の形態を示す光走査装置の説明図である。 偏心位置を溶接した場合の光走査装置の説明図である。 溶接点の中心間距離と溶接点の直径の説明図である。 溶接点数と引張破壊強度及びせん断破壊強度との関係を表したグラフである。 溶接点数、合計熱量及びジッタとの関係を表した表、及び駆動波形を表した図である。 溶接点数ａ、溶接直径ｄ、中心間距離λの関係を表した表である。 従来の光走査装置の説明図である。

（光走査装置の説明）
以下に図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施の形態を示す。本発明の光走査装置４０は、図１に示されるように、ミラー１２、梁部１３、伝達部１４、被固定部１５が形成された基板１０を、その被固定部１５上の複数の溶接点１５ａをレーザー溶接により、固定台２０に接合させた構造である。以下、光走査装置４０を構成する各部について説明する。

ミラー１２は、レーザー光等の光を反射する面である。ミラー１２は、本実施形態では、円形状であるが、これに限定されず、四角形状であっても差し支えない。ミラー１２の両側には、ミラー１２から離れる方向に延出する梁部１３が形成されている。この梁部１３によって、ミラー１２の両側が支持されている。伝達部１４は四角形状であり、一辺から延出する２本の接続部１４ａが形成されている。２本の接続部１４ａ間に、２本の梁部１３がそれぞれ接続している。伝達部１４の接続部１４ａが形成されている辺と反対側の一端には、被固定部１５が接続されている。被固定部１５は、前記伝達部１４の一端に沿うように、横長である。本実施形態では、被固定部１５は、長方形状となっている。本実施形態では、被固定部１５は、その長手方向の中心で、伝達部１４の一端と接続している。基板１０は、ステンレスやチタン等の金属板材を、エッチング加工やプレス加工等の除去加工により、ミラー１２、梁部１３、伝達部１４、被固定部１５を形成して製造される。

伝達部１４上には、セラミックス製の圧電素子等で構成された駆動部３０が、導電性接着剤で接着されている。前記導電性接着剤は、熱硬化性を有するエポキシ系、アクリル系、シリコン系等の合成樹脂製の基剤内に、銀、金、銅等で構成された円盤状の金属フィラーを分散させたものである。先ず、伝達部１４上に導電性接着剤を塗布することで、接着剤層を形成する。次に、この接着剤層上に駆動部３０を載置した後に押圧する。そして、前記接着剤層を熱硬化させることにより、駆動部３０を伝達部１４上に接着させている。
固定台２０は、ステンレスやチタン等の金属材料で構成されている。

このように、本発明によれば、伝達部１４の一端に形成された被固定部１５を、その被固定部１５上の複数の溶接点１５ａをレーザー溶接により、固定台２０に接合させたので、被固定部１５と固定台２０が確実に固着され、伝達部１４とベース台２０の接合強度を向上させることが可能となる。このため、駆動部３０で生成された振動の減衰を抑制し、不良品の発生を低減させることが可能となる。また、モデルチェンジの度に、メカクランプを行う治具を新規に製作する必要が無く、製造コストが増大することがない。更に、メカクランプにより光走査装置５０が大型化してしまうことを防止することができる。

（溶接方法の説明）
本発明では、固定台２０上に、基板１０を載置した後に、まず、被固定部１５の長手方向中心位置（図１に示される（１））をレーザー溶接する。もし、図２に示されるように、被固定部１５の長手方向中心位置で無く、偏心した位置をレーザー溶接した場合には、レーザー溶接による金属の溶融・冷却に伴う熱応力が、被固定部１５の長手方向に不均一に作用し、基板１０が固定台２０に対して溶接点１５ａが偏心した方向に傾いてしまう。この場合には、ミラー１２が設計した位置からずれてしまうので、光走査装置４０が不良品となってしまう。

次に、被固定部１５の長手方向の一端（図１に示される（２））をレーザー溶接する。この場合には、被固定部１５の長手方向中心位置（図１に示される（１））が既に溶接されているので、基板１０が固定台２０に対して傾いてしまうことが無い。

次に、被固定部１５の長手方向の他端（図１に示される（３））をレーザー溶接する。このように、被固定部１５の長手方向について、前回溶接した溶接点１５ａと反対側をレーザー溶接するのは、被固定部１５の長手方向中心位置から一方に偏った側のみをレーザー溶接すると、被固定部１５に作用する熱応力が蓄積し、微少に、基板１０が固定台２０に対して傾いてしまう恐れがあるからである。

次に、既に溶接された溶接点１５ａの間をレーザー溶接して、基板１０の固定台２０への固定が完了する。図１に示される例では、（１）と（２）の間の（４）及び、（１）と（３）の間の（５）の位置をレーザー溶接する。このように、最初に被固定部１５の中心を溶接した後に被固定部１５の一端及び他端を溶接し、更に、既に溶接された溶接点１５ａの間をレーザー溶接することにしているのは、前回溶接した溶接点１５ａに近い溶接点１５ａを溶接すると、近接した溶接点１５ａの周囲でレーザー溶接による熱が集中してしまい、当該箇所に熱応力が集中し、微少に、基板１０が固定台２０に対して傾いてしまう恐れがあるからである。

図１に示される例では、被固定部１５の溶接点数は５点であるが、被固定部１５を７点以上溶接する場合には、まず、被固定部１５の中心を溶接した後に、被固定部１５の一端及び他端を溶接する。次に、被固定部１５の中心と一端及び被固定部１５の中心と他端の間を複数溶接する。このように、被固定部１５の溶接点数が５点であっても、被固定部１５の溶接点数が７点以上であっても、先ず、被固定部１５の中心をレーザー溶接した後は、被固定部１５の中心から遠い位置（被固定部１５の一端や他端）から溶接することにしている。この理由を以下に説明する。溶接点１５ａの溶融・冷却時の基板１０の固定台２０に対する回転は、新たに溶接した溶接点１５ａを支点に起こる。溶接点１５ａの溶融・冷却時に発生するモーメント（Ｎ＝λ×ｆ）が同一である場合において、１点目の溶接点１５ａと２点目の溶接点１５ａとの距離（λ）が近接している場合には、２点目の溶接点１５ａに大きな力（ｆ）が作用し、基板１０の固定台２０に対する回転ズレが発生しやすくなる。そこで、２点目の溶接点１５ａを１点目の溶接点１５ａから離れた位置とすることで、２点目の溶接点１５ａに作用する力（ｆ）を低減し、レーザー溶接による基板１０（被固定部１５）の固定台２０に対する回転ズレを抑制することにしている。

本発明では、レーザー溶接時に、基板１０が固定台２０に対して傾いてしまうことを防止するために、溶接点１５ａの位置や数及び光走査装置４０の構造を以下のように設定している。
（１）被固定部１５と固定台２０との複数の溶接点１５ａは、被固定部１５の長手方向に沿って直線状に配置され、溶接点１５ａの数を３以上の奇数とする。
これは、溶接点１５ａの数を偶数にすると、最初にレーザー溶接する位置が、被固定部１５の長手方向の中心とならず、基板１０が固定台２０に対して傾いてしまうからである。

（２）被固定部１５の長手方向において中心に位置する中心溶接点１５ａ（図１に示される（１））は、ミラー１２の重心を通過し且つ被固定部１５の長手方向に直交する直線上（図１に示される一点鎖線）に位置する。更に、ミラー１２の重心を通過し且つ被固定部１５の長手方向に直交する直線上（図１に示される一点鎖線）に対して、ミラー１２、梁部１３、伝達部１４、駆動部３０、及び被固定部１５が対称に形成される。
これは、図１に示される一点鎖線に対して、ミラー１２、梁部１３、伝達部１４、駆動部３０、及び被固定部１５が対称で無い場合には、前記一点鎖線を挟んで右側と左側で、ミラー１２の回動特性が異なってしまい、光走査装置４０を作動させてミラー１２で光を走査させる場合に、所望の位置に光を走査できなくなってしまうからである。

（３）被固定部１５の溶接点１５ａを等間隔に設ける。
これは、溶接点１５ａを等間隔にしなかった場合には、近接した溶接点１５ａの周囲でレーザー溶接による熱が集中してしまい、当該箇所に熱応力が集中し、微少に、基板１０が固定台２０に対して傾いてしまう恐れがあるからである。

（４）図３に示されるように、溶接点１５ａの表面直径をｄ、隣接する溶接点１５ａの中心間距離をλとした場合に、前記ｄ及びλを、下式１を満たすように設定する。
０．２１≦ｄ／λ≦０．６２…（式１）
なお、本実施形態では、図３に示される被固定部１５の長手寸法は５ｍｍであり、幅寸法は１ｍｍである。
また、本実施形態では、レーザー溶接の条件を下記のように設定した。
レーザーの照射パワー：１ｋＷ
レーザーの照射時間：１ｍｓｅｃ（Ｓｌｏｐｅ時間を含む）
Ｓｌｏｐｅ時間：０．３ｍｓｅｃ

前記ｄ及びλを、下式１を満たすように設定した理由を以下に詳細に説明する。図４に示されるように、引張破壊強度は全ての溶接点からの寄与があるため、溶接点数を増加させるにつれて、被固定部１５と固定台２０との水平方向の引張破壊強度は向上する。一方で、被固定部１５と固定台２０とのせん断破壊応力は、溶接点数が５を超えると低下する。換言すれば、個々の溶接点が耐えられる力は、溶接点数が５を超えると低下する。これは、被固定部１５の長手方向の長さは一定であるため、溶接点数を増加させると溶接点１５ａ間の距離が近接し、熱影響により、金属溶融後の冷却速度が緩慢となり、溶接点１５ａ間の距離が離れている場合と比べて、溶接箇所の金属組織が変化するからであると考えられる。

被固定部１５と固定台２０との水平方向の引張破壊強度が高いほうが、駆動部３０で生成された振動の減衰が抑制されるので好ましい。一方で、被固定部１５と固定台２０とのせん断破壊応力が低いと、ある溶接点１５ａでの被固定部１５と固定台２０の接合が剥がれやすくなる。もし、ある溶接点１５ａで被固定部１５と固定台２０の接合が剥がれると、被固定部１５と固定台２０との接合強度が、図１に示される一点鎖線を挟んで左右で異なるようになり、ミラー１２で所望の位置に光を走査できなくなってしまう。従って、本実施形態では、被固定部１５と固定台２０とのせん断破壊応力が低下しないように、溶接点数を５点に設定している。

図５の（Ａ）に示されるように、被固定部１５での溶接点数５点から９点に増加させると、ジッタ特性が悪化する。ここで、ジッタとは、図５の（Ｂ）に示される時間Ｔ１の標準偏差（σ）である。なお、時間Ｔ１とは、ミラー１２の光学振れ角が有る一定角度以上にある時間である。理想的には、ミラー１２が毎回同じ周期で走査が行われれば、ジッタは０になる。しかし、実際には、ミラー１２の走査周期は、走査毎に微妙に異なる。即ち、ジッタは走査周期の揺らぎを示すので、ジッタが小さいほど走査が安定していると言える。図５の（Ｂ）に示される例では、ミラー１２の受光センサー位置に相当する光学振れ角が２０°以上で最大振れ角の２５°未満の時間である。図５の（Ｂ）に示される例では、３２０００回測定した場合の標準偏差（σ）をジッタとして表している。図５の（Ｂ）に示されるように、溶接点数が５（合計熱量６．５Ｊ）と溶接点数が９（合計熱量５．３Ｊ）を比較すると、溶接点数が５のほうが、合計熱量が多いにも関わらず、ジッタ特性については溶接点数が５のほうが、溶接点数が９よりも良好となった。この理由もまた、溶接点数の増加に伴う溶接点１５ａ間の距離の近接に起因する熱影響によるものと考えられる。つまり、溶接点１５ａの近接又は重なりを防ぐことで、ジッタ特性の劣化を防止することが可能となる。

定量的に溶接点数ａ、溶接直径ｄ、中心間距離λを決定するために、本発明の発明者は、図６の表に示されるように、溶接点数ａ、溶接直径ｄ、中心間距離λの関係を調べた。溶接直径ｄに中心間距離λを除した値（ｄ／λ）は、溶接点１５ａの近接又は重なりと関連がある。本実施形態では、最適な溶接点数は５であるので、溶接点数が５と決定されるようなｄ／λは式（１）となる。
本実施形態と異なる長手寸法の被固定部１５であっても、式（１）を満たす溶接直径ｄ、中心間距離λを決定し、更に、溶接点数ａを決定すれば、被固定部１５と固定台２０とのせん断破壊応力の低下を防止するとともに、ジッタ特性の劣化を防止することが可能となる。

なお、基板１０と固定台２０との金属を同種の材料で構成することが好ましい。これは、基板１０と固定台２０を同種の材料で構成した場合には、金属の溶融温度が同一となり、溶接部での密着度が、基板１０と固定台２を異種材料とした場合に比べて向上し、被固定部１５と固定台２０との接合強度が増すからである。これにより、駆動部３０で生成された振動の減衰を抑制することができ、より光走査装置４０の特性を向上させることが可能となる。

以上、現時点において、もっとも、実践的であり、かつ好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は、本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨あるいは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う光走査装置及び光走査装置の製造方法もまた技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。

１０ 基板
１２ ミラー
１３ 梁部
１４ 伝達部
１４ａ 接続部
１５ 被固定部
１５ａ 溶接点
２０ 固定台
３０ 駆動部
４０ 本発明の光走査装置
５０ 従来の光走査装置

Claims (7)

1. 光を反射するミラーと、
   前記ミラーの両側を支持し、前記ミラーから離れる方向に延出する梁部と、
   前記梁部が接続される伝達部と、
   前記伝達部に振動を加え、前記ミラーを揺動させる駆動部と、
   前記伝達部が固定される固定台とを有し、
   前記伝達部の一端には、前記固定台に対して固定される被固定部が形成され、
   前記伝達部は、前記被固定部と前記固定台とが溶接される複数の溶接点によって、前記固定台に固定されていることを特徴とする光走査装置。
2. 被固定部と固定台との複数の溶接点は前記被固定部の長手方向に沿って直線状に配置され、前記溶接点の数は３以上の奇数であり、
   前記複数の溶接点のうち、前記長手方向において中心に位置する中心溶接点は、ミラーの重心を通過し且つ前記長手方向に直交する直線上に位置し、
   前記ミラーの重心を通過し且つ前記長手方向に直交する直線に対して、ミラー、梁部、伝達部、駆動部、及び被固定部が対称に形成されることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 複数の溶接点は、等間隔に設けられることを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
4. 溶接点の直径をｄ、隣接する溶接点の中心間距離をλとした場合に、前記ｄ及びλを下式１を満たすように設定したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光走査装置。
   ０．２１≦ｄ／λ≦０．６２…（式１）
5. 前記ミラーの両側を支持し、前記ミラーから離れる方向に延出する梁部と、
   前記梁部が接続される伝達部と、
   前記伝達部に振動を加え、前記ミラーを揺動させる駆動部と、
   前記伝達部が固定される固定台とを有し、
   前記伝達部の一端には、前記固定台に対して固定される被固定部が形成された光走査装置の製造方法であって、
   前記被固定部と前記固定台を、前記被固定部の中心、前記被固定部の一端、前記被固定部の他端の順に、溶接することを特徴とする光走査装置の製造方法。
6. 被固定部の中心及び一端の溶接点の間、及び被固定部の中心及び他端の溶接点の間を溶接することを特徴とする請求項５に記載の光走査装置の製造方法。
7. 被固定部の中心及び一端の溶接点の間、及び被固定部の中心及び他端の溶接点の間を複数の溶接点において溶接する場合には、被固定部の中心から遠い位置から溶接することを特徴とする請求項６に記載の光走査装置の製造方法。

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