JPH0375611A - ビームスキャニング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、レーザプリンタ、バーコードリーグなどに用
いられるビームスキャニング装置に関する。

〈従来の技術〉 従来のビームスキャニング装置を第６図に示す。

この装置は、光源から出射された光ビームｉ、をポリゴ
ンミラー（多面鏡）２１に入射し、モータ２２でポリゴ
ンミラー２１を回転させることによって、ポリゴンミラ
ー２１で反射される光ビーム１４の方向を変化させ、光
ビーム１４のスキャンを行うものである。　２３．２４
はシリンドリカルレンズ、２５は集光走査レンズである
。

〈発明が解決しようとする課題〉 上記槽底の従来例のビームスキャニング装置には、次の
ような問題点がある。

ｆａ）　　個々の部品が比較的大きく、ことに、ポリゴ
ンミラー２１とモータ２２の存在のために全体が大型化
していて、小型化するにも一定の限界がある。

（ｂｌ　　ポリゴンミラー２１は、複数の反射面２１ａ
が順次切り換えられるものであるが、どの反射面２１ａ
でも全く同じように光ビーム１）を反射させなければな
らない関係上、すべての反射面２１ａが厳密に等価的に
加工されていなければならず、そのようなポリゴンミラ
ー２１の製作または入手に要する費用が高くつく。

（Ｃ１ポリゴンミラー２１の１つの反射面２１ａについ
ての中心角によって光ビーム１４のスキャン角度がある
角度に固定的に決まってしまい、スキャノ角度を制御す
ることができない。

ｆｄ＋　　ポリゴンミラー２１が常時同一方向に回転す
るから、光ビーム１４のスキャン方向が右−左あるいは
左−右のいずれか一方向に限定されている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであっ
て、充分に小型でロウコストであり、スキャン角度の制
御が可能であるとともに、スキャン方向を往復二方向と
できるビームスキャニング装置を提供することを目的と
する。

く課題を解決するための手段〉 本発明は、このような目的を遠戚するために、次のよう
な構成をとる。

すなわち、本発明のビームスキャニング装置は、発光素
子と、この発光素子の光軸と平行な光軸をもつ状態で発
光素子の前面に配置されたレンズと、対向された静電電
極間に働くクーロン力によって傾動される揺動型反射鏡
とを備えたものである。

〈作用〉 本発明の上記構成による作用は、次のとおりである。

すなわち、対向静電電極間に電圧を印加することにより
、揺動型反射鏡が傾動される０発光素子から出射されレ
ンズを通った光ビームは揺動型反射鏡によって反射され
るが、この揺動型反射鏡が傾動するために、光ビームが
スキャンされる。

揺動型反射鏡は静電電極間に働くクーロン力を利用する
ものであるから、ポリゴンミラーを回転させるためのモ
ータとは違ってはるかに小さく構成できる。また、揺動
型反射鏡は、ポリゴンもラーのように複数の反射面を順
次切り換えるものではなく、常に同じ面で光ビームを反
射させるものであるから、ポリゴンミラーのようにすべ
ての反射面を厳密に等価的に加工するといった必要性が
なく、その製作あるいは人手に要する費用が安くてすむ
、そして、揺動型反射鏡は、ポリゴンミラーのように複
数の反射面を必要とするものではないから、ポリゴンよ
ラーに比べて充分に小さいものでよい。

対向する静電電極間に印加する電圧の制御によって揺動
型反射鏡の傾斜角を調整することが可能であり、したが
って、光ビームのスキャン角度も制御可能となる。

揺動型反射鏡は往復二方向に傾動を繰り返すから、光ビ
ームのスキャン方向が往復二方向となる。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図に示すように、絶縁性のステムｌに３つの台座１
ａ、ｌｂ、ｌｃが一体的に形成され、台座１ａに発光素
子２が、台座１ｂにレンズ３が、台座１ｃに揺動型反射
鏡４がそれぞれ実装されている０発光素子２としては半
導体レーザや発光ダイオードなどが使用される。レンズ
３としては発光素子２からの光ビーム１）を平行化また
は集束するグレーティングレンズ（フレネルレンズ）や
非球面レンズなどが使用される。レンズ３の光軸は発光
素子２の光軸と一致しており、レンズ３の焦点は発光素
子２の出射点に位置している。

揺動型反射鏡４を実装している台座１ｃの実装面は、発
光素子２．レンズ３の光軸に対して４５６傾いた傾斜面
となっている。揺動型反射鏡４の構造を第２図に基づい
て説明する。この第２図は、分解した状態を上下逆さま
にして眺めたものである。

台座ｌｃにおける前記の傾斜面に絶縁性（誘電性）の電
極ベース５が形成され、この電極ベース５上の中央寄り
の箇所に４つの静′ＩＪ１）を極６ａ〜６ｄが四角形の
４つの角部に配置された状態で蒸着等によって形成され
ている。電極ベース５に対向して矩形環状のミラーベー
ス７が配置され、このミラーベース７の４つの内隅部か
ら中心側に向けて延出された４本のトーションバー８の
各内端に四角形の平板状の鏡体９の四隅が一体的に連結
されている。これらξラーベース７．トーシッンバー８
および鏡体９は、シリコンウェハの加工によって作られ
ている。鏡体９の表面にはＡｇ等の蒸着によって鏡面が
形成され、裏面には電極ベース５上の静電電極６３〜６
ｄのそれぞれに対向して４つの静電電極１０ａ〜１０ｄ
が蒸着等によって形成されている。

電極ベース５の四隅から立設されたビン１）を介して電
極ベース５とミラーベース７とが固定され、電圧無印加
の状態で鏡体９が電極ベース５と平行になっている。

このように、ステム１上に発光素子２．レンズ３および
揺動型反射鏡４を実装してむするから、全体が充分に小
型かつ軽量となっている。

トーションバー８は、軸を中心とする放射方向に弾性変
形可能であるとともに、捻じりに対しても弾性変形可能
である。したがって、相対向する静電電極６ａ〜６ｄと
静電電極１０ａ”ｌＯｄのうちいずれかの対向電極間に
電圧を印加すると、その電圧が印加された対向電極どう
しが互いに引き寄せられ、トーションバー８を弾性変形
させながら鏡体９が傾く、電圧の印加の仕方によって、
鏡体９は二次元方向であらゆる方向に傾斜可能である。

次に、静電電極６　ａ　〜６　ｄ　、　１０ａ　〜１０
ｄに係る電気的構成を第３図に基づいて説明する。

鏡体９に形成された静電電極１０３〜１０ｄは共通にア
ースされており、電極ベース５に形成された静電電極６
ａ〜６ｄは、それぞれ別個のアナログスイッチ１２３〜
１２ｄを介して、直流電源１３の出力電圧を制御する電
圧制御部１４に接続され、個々のアナログスイッチ１２
ａ〜１２ｄは、スイッチング制御部１５によって０Ｎ１
０ＦＦＩ！ｆｌａｔされるように構成されている。そし
て、電圧制御部１４およびスイッチング制御部１５は、
スキャン方向とスキャン角度とを入力設定するスキャン
条件設定部１６によって制御されるように構成されてい
る。

次に、この実施例のビームスキャニング装置ノ動作を説
明する。

第４図に示すように、一対の静電電極１０ａ、１０ｂを
結ぶ方向で鏡体９が傾斜するスキャン方向をα、一対の
静電電極１０ａ、ＩＯＣを結ぶ方向で鏡体９が傾斜する
スキャン方向をβとする。スキャン方向をα、βのいず
れにするか、また、スキャン角度θをどの程度にするか
はスキャン条件設定部１６において入力設定される。

（ｉ）スキャン方向αでのスキャニング動作スキャン条
件設定部１６において、スキャン方向αとスキャン角度
θとを設定する。電圧制御部１４はスキャン角度θに応
じた電圧を出力する。スイッチング制御部１５は、スキ
ャン方向αに対応して、一対のアナログスイッチ１２ａ
、１２ｃと、一対のアナログスイッチ１２ｂ、１２ｄと
を交互に０Ｎ１０ＦＦ’ａｍする。

発光素子２に電流を供給して発光素子２から光ビームＩ
Ｉを出射させると、発光素子２の出射点にレンズ３の焦
点が位置しているので、レンズ３を透過した光ビーム１
）は平行光となる。

スイッチング制御部１５は、まず、アナログスイッチ１
２　ａ　＋　１２　ｃをＯＮ、アナログスイッチ１２ｂ
。

１２ｄをＯＦＦの状態とする。スキャン角度θに応じて
調整された電圧が電圧制御部１４からアナログスイッチ
１２ａ、１２ｃを介して静電電極６ａ、６ｃに供給され
、対向する静電電極６ａ、１０ａ問および静電電極６Ｃ
，１００間に静電誘導によるクーロン力が働き、４つの
トーションバー８の弾性に抗して静電電極１０ａ、１０
ｃが第５図（ａ）のように静電１）ｇ＋６ａ、６Ｃに引
き寄せられ、鏡体９がスキャン方向αにおいて正方向に
θ／４だけ傾斜する。スキャン方向βには傾斜しない、
鏡体９のスキャン方向αでの傾斜に伴って、発光素子２
からレンズ３を介して鏡体９に入射した光ビーム１）は
、その反射方向を正方向にシフトする０反射された光ビ
ーム１）は、基準の方向からスキャン角度θの２分の１
のθ／２だけシフトする。

次いで、スイッチング１）Ｗ部１５は、アナログスイッ
チ１２ａ、　１２ｃをＯＦＦにし、アナログスイッチ１
２ｂ、　１２ｄをＯＮにする。これによって、静電電極
６８．１０ａ問および静電電極６Ｃ，１０ａ間に働いて
いたクーロン力が解除されるとともに、トークテンバー
８の弾性復元力が働き、しかも、アナログスイッチ１２
ｂ、１２ｄを介して電圧制御部１４から静電電極６ｂ、
６ｄに電圧が供給され、対向する静電電極５ｂ、１０ｂ
問および静電電極６ｄ。

１０ａ間にクーロン力が働くため、静電電極ｉｏｂ。

１０ｄが静電電極６ｂ、６ｄに引き寄せられる。その結
果、鏡体９がスキャン方向αにおいて第５図（ａ）とは
逆方向で負方向にθ／４だけ傾斜し、反射された光ビー
ムＪ、が負方向にθ／２だけシフトされる。

以上のアナログスイッチ１２ａ、１２ｃとアナログスイ
ッチ１２ｂ、１２ｄとの交互の○Ｎ／○ＦＦにより、鏡
体９がスキャン方向αに沿って傾斜角度を連続的に変化
させながら正方向と負方向とにシーソー状に揺動する。

したがって、鏡体９で反射される光ビーム１ｔは、スキ
ャン方向αに沿ってスキャン角度を連続的に変化させな
がら正方向と負方向との間で往復シフトする。この場合
の光ビーム１アのスキャンは、ポリゴンミラーの一方向
スキャンとは違って往復スキャンとなり、その往復のス
キャン角度は、正方向でのθ／２と負方向でのθ／２と
を合わせたθとなる。

（ｉｉ）スキャン方向βでのスキャニング動作スキャン
条件設定部１６において、スキャン角度θとともにスキ
ャン方向βを設定する。スイッチング制御部１５は、ス
キャン方向βに対応して、−対のアナログスイッチ１２
ａ、１２ｂと、一対のアナログスイッチｔ２ｃ、Ｌ２ｄ
とを交互に０Ｎ１０ＦＦ制御する。その結果、対向する
静電電極６ａ、１０ａ問および静電電極６ｂ、１０ｂ間
にクーロン力が働く状態と、静電電極６ｃ、ｌｏｃ問お
よび静電型ｉ６ｄ、１０ｄ間にクーロン力が働く状態と
が交互に切り換えられ、鏡体９がスキャン方向βに沿っ
て傾斜角度を連続的に変化させながら正方向と負方向と
にシーソー状に傾動する。第５図（ｂ）は、アナログス
イッチ１２Ｃ，１２ｄがＯＮされ、対向する静電電極５
ｃ、１０ａ間と静１を電極６ｄ、１０ａ間とにクーロン
力が働いた状態を示し、鏡体９はスキャン方向βで負方
向にθ／４だけ傾斜し、光ビーム１ｔは、基準方向から
負方向にθ／２だけシフトしている。電圧が逆になった
ときは、光ビーム１８は正方向にθ／２だけ傾斜する。

このように、鏡体９で反射される光ビームｊ！２は、ス
キャン方向βに沿ってスキャン角度を連続的に変化させ
ながら正方向と負方向との間で往復シフトし、その往復
のスキャン角度は、正方向のθ／２と負方向のθ／２と
を合わせたθとなる。

なお、レンズ３の焦点が発光素子２の出射点に位置して
いるので、鏡体９の傾動方向および傾動角度の変化にか
かわらず、光ビームｉは平行光の状態を保つ。

以上のように、本実施例によれば、光ビーム１ｚをスキ
ャン方向αでも、これと直交するスキャン方向βでもシ
フトでき、二次元のスキャニングが可能となっている。

なお、スキャン条件設定部１６とスイッチング制御部１
５および電圧制御部１４のプログラムを工夫することに
より、鏡体９をα、βの両方向で同時に傾動させること
が可能であり、光ビームｊ！２を二次元方向においてα
方向とβ方向とを合成した任意の方向にスキャンするこ
とができる。

参考までに、対向する一対の静電電極６ａ、１０ａおよ
び静電電極５ｃ、１０ａ間に電圧を印加したときの鏡体
９の最大のスキャン角度θを計算しておく。

各対向電極の面積の和をＳ、電極間距離をｄ、印加電圧
をＶ、空気の誘電率をε。とすると、両対向電極の合成
静電容量Ｃは、 Ｃ＝癒。　・　□ である０両対向電極に蓄積される静電エネルギーＷは、 ｗ＝　−ｃ　−ｖ”　　　・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・■である、このエネルギ
ーＷとクーロンカドとの関係は、 Ｗ＝Ｆ−ｄ であるから、■〜■式からクーロンカドを求めると、 となる、一方、鏡体９に働く曲げモーメントをＭ、トー
シヲンバー８全体の曲げ剛性値をＧ、曲げ中心とクーロ
ンカドの作用点との距離をＬとすると、ＭコＧ・θ冨Ｆ
−Ｌ　　・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・■したがって、鏡体９の傾動角度φ　（−
θ／４）は、■、■式から、 Ｆ−Ｌ φ工 となり、スキャン角度θは、 −ｄｔ となる、すなわち、スキャン角度θは、印加電圧■の二
乗に比例する。

なお、対向する静電電極の数は４組に限定されるもので
はなく、任意の数で実施できる。トーションバー８の弾
性復元力を考慮に入れると、対向！極は１組であっても
よい。

〈発明の効果〉 以上のことから、本発明によれば、次のような効果が発
揮される。

■　光ビームをスキャンさせるために傾動させる反射鏡
として、静電クーロン力によって傾動される揺動型のも
のを用いているため、この揺動型反射鏡は平板状のもの
でよく、また、クーロン力を発揮させる静電電極は薄い
ものであるから、複数の反射面を必要とするポリゴンミ
ラーとそれを回転させるモータとを用いた従来例に比べ
て、大幅な小型化を達成することができる。

■　揺動型反射鏡は、ポリゴンミラーのように複数の反
射面を順次切り換えるものではなく、常に同じ面で光ビ
ームを反射させるものであるから、ポリゴンミラーのよ
うにすべての反射面を厳密に等価的に加工するといった
必要性がなく、したがって、反射鏡として要求される加
工精度がポリゴンミラーに比べてはるかに低くてよく、
その分ロウコスト化を図ることができる。

■　対向する静電電極間に印加する電圧の制御によって
揺動型反射鏡の傾斜角の調整が可能であり、光ビームの
スキャン角度を制御することができる。

■　揺動型反射鏡が往復二方向に傾動を繰り返すから、
スキャン方向を往復二方向とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の一実施例に係り、第１図
はビームスキャニング装置を示す正面図、第２図は揺動
型反射鏡を分解してそれを上下逆さまにして眺めた斜視
図、第３図は電気的構成を示す回路図、第４図は二次元
スキャン方向の説明図、第５図は動作説明図である。第
６図は従来例の構成図である。 １・・−ステム、２・・・発光素子、３・・・レンズ、
４・・・揺動型反射鏡、５・・・電極ベース、６ａ〜６
ｄ・・・静電電極、７・・・ミラーベース、８・・・ト
ーションバー９・・・鏡体、１０ａ〜１０ｄ・・・静電
電極、１２ａ〜１２ｄ・・・アナログスイッチ、１３・
・・直流電源、１４・・・電圧制御部、１５・・・スイ
ッチング制御部、１６・・・スキャン条件設定部 第１図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光素子と、この発光素子の光軸と平行な光軸を
   もつ状態で発光素子の前面に配置されたレンズと、対向
   された静電電極間に働くクーロン力によって傾動される
   揺動型反射鏡とを備えたビームスキャニング装置。