JPH05153338A - 光スキヤナ - Google Patents

光スキヤナ

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JPH05153338A
JPH05153338A JP3341879A JP34187991A JPH05153338A JP H05153338 A JPH05153338 A JP H05153338A JP 3341879 A JP3341879 A JP 3341879A JP 34187991 A JP34187991 A JP 34187991A JP H05153338 A JPH05153338 A JP H05153338A
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light beam
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Hiroshi Goto
博史 後藤
Hiroki Kamota
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 共振型光スキャナによる光ビームの走査角を
拡大する。また、駆動電圧を低電圧化する。 【構成】 気密型のケース8内に振動子6及び圧電素子
7を納める。圧電素子7から振動子6に振動を与えて共
振させると、振動子6のスキャン部3が回動する。この
時、スキャン部3は粘性抵抗を受けることなく大きな回
動角で回転できる。スキャン部3で反射する光ビーム
は、スキャン部3の回動によって広い走査角で走査され
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光スキャナに関する。
具体的には、レーザビームプリンタやバーコードスキャ
ナ等において光ビームを走査させるために用いられる光
スキャナに関する。
【0002】
【従来の技術】レーザビームプリンタに用いられている
従来の光スキャナの概略図を図7に示す。これはポリゴ
ンミラー51を用いた光スキャナ(ポリゴンスキャナ)
であって、正多角形状をしたポリゴンミラー51の外周
各面にはミラー面51aが形成されており、ポリゴンミ
ラー51はサーボモータ52によって一定角速度で回転
している。そして、半導体レーザ装置56から出射され
たレーザビームβは光学系53を通過した後、ポリゴン
ミラー51のミラー面51aに照射される。ミラー面5
1aで反射されたレーザビームβは、中間光学系54を
透過し、例えば感光ドラム57の表面に照射される。こ
こで、ポリゴンミラー51が一定角速度で回転している
と、レーザビームβを反射させているミラー面51aの
角度が変化するので、ポリゴンミラー51で反射された
レーザビームβの出射方向が変化し、レーザビームβが
例えば感光ドラム57の表面を走査される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなポリゴンスキャナにあっては、ポリゴンミラーやモ
ータ等を用いているために嵩張り、小型化してコンパク
トな光スキャナを製作するのが困難であった。また、コ
ストも高くつくという欠点があった。
【0004】さらに、ポリゴンスキャナは走査方向が1
方向に限られ、1台のポリゴンスキャナでは2方向の
(言い換えると、2次元の)光走査は不可能であった。
加えて、レーザビームの走査角はポリゴンミラーのミラ
ー面数で決まり、走査角を変化させることはできなかっ
た。
【0005】このため出願人は、本発明に先立ち、プレ
ート状の振動子を圧電素子で駆動して振動子の弾性変形
部を共振させ、これによって被駆動部を回動させ、レー
ザビームを被駆動部のミラー面で反射させてレーザビー
ムを少なくとも1方向に走査させるようにした共振型光
スキャナ(図2参照)を提案し、特許出願している。
【0006】この光スキャナは構造が簡単であるため、
小型で安価に製作でき、さらに、2方向への光走査(2
次元光走査)も可能で、レーザビームの走査角も変化さ
せることができるといった多くの特徴を有している。ま
た、約20度くらいの走査角(図2におけるθT,θB
が得られている。
【0007】しかし、この共振型光スキャナにおいて、
より大きな走査角を得ようとすれば、振動子の回転振動
中の空気の粘性抵抗によって回転振幅が抑制され、その
結果30度以上の大きな走査角を得ることは困難であっ
た。また、空気の粘性抵抗に打ち勝つだけの強さで振動
子を駆動する必要があるため、圧電素子の加振量を大き
くしなければならず、圧電素子へ大きな駆動電圧を印加
しなければならなかった。
【0008】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、共振型光ス
キャナによる光ビームの走査角を拡大し、また、駆動電
圧を低電圧化することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の光スキャナは、
少なくとも1つの弾性変形モードを有する振動子に当該
振動子の共振周波数で外部から加振し、当該振動子の被
駆動部を共振振動によって回転させ、被駆動部に設けら
れたミラーで反射される光ビームを走査させるようにし
た光スキャナにおいて、回転によって当該振動子が受け
る流体粘性抵抗を小さくしたことを特徴としている。
【0010】また、本発明の別な光スキャナは、少なく
とも1つの弾性変形モードを有する振動子に当該振動子
の共振周波数で外部から加振し、当該振動子の被駆動部
を共振振動によって回転させ、被駆動部に設けられた発
光部から出射される光ビームを走査させるようにした光
スキャナにおいて、回転共振振動によって当該振動子が
受ける流体粘性抵抗を小さくしたことを特徴としてい
る。
【0011】前記振動子は、例えば、駆動源から微小振
動を加振される振動入力部、少なくとも1つの弾性変形
モードを有し、振動入力部に加振された振動によって共
振振動する弾性変形部、および弾性変形部の共振振動に
よって少なくとも1方向に回転する被駆動部とから構成
することができる。
【0012】また、流体の粘性抵抗を小さくするために
は、少なくとも前記振動子を真空のケース内に納めると
よい。
【0013】あるいは、前記振動子に流体が通過できる
孔を開口することによって粘性抵抗を小さくしてもよ
い。
【0014】
【作用】本発明にあっては、振動子が受ける流体粘性抵
抗を小さくしているので、振動子の回転振幅が流体の粘
性抵抗によって抑制されにくくなり、光スキャナの回転
角が大きくなる。従って、光スキャナで反射される光ビ
ーム、あるいは光スキャナから出射される光ビームの走
査角を拡大することができる。
【0015】また、同じ走査角を得るために必要な駆動
源の加振量が小さくて済むので、駆動源への印加電圧を
低くすることができ、光スキャナの駆動電源の低電圧
化、低消費電力化を可能にできる。
【0016】
【実施例】図1(a)(b)及び図2は本発明の一実施
例による光スキャナであって、図1(a)(b)はケー
スに納められた光スキャナを示す平面図及び正面図、図
2は光スキャナの主要部の詳細を示す斜視図である。
【0017】この光スキャナ1の主要部は、プレート状
の振動子6と、振動子6に高周波振動(例えば、数10
0Hz)を印加するための圧電素子7とから構成されてい
る。振動子6は、図2に示すような形状をしており、長
い細幅の弾性変形部2の下端に、圧電素子7から振動を
印加させるための振動入力部5が一体に設けられ、弾性
変形部2の上端に、光ビームαを反射してスキャンさせ
るためのスキャン部(被駆動部)3が一体に設けられて
いる。ここで、弾性変形部2は、図3(a)に示すよう
に、軸心Pの回りにねじれ変形するねじれ変形モード
と、図3(b)に示すように軸心Pに沿って曲げ変形す
る曲げ変形モードが可能になっており、ねじれ変形モー
ドの弾性振動についてはfTの共振周波数を有し、曲げ
変形モードの弾性振動についてはfBの共振周波数を有
している。スキャン部3は、弾性変形部2の軸心Pに関
してアンバランスな形状に形成されており、弾性変形部
2の軸心Pから離れた部分に慣性モーメント発生部3w
が形成されている。したがって、スキャン部3の重心
は、弾性変形部2の軸心Pから外れた位置にあり、さら
に、弾性変形部2の上端よりも上方に位置している。ま
た、スキャン部3には、光ビームαを反射させるための
ミラー面4が形成されている。振動入力部5は、圧電素
子7に接合されて圧電素子7に固定されており、スキャ
ン部3は弾性変形部2によってフリーに支持されてい
る。
【0018】さらに、この光スキャナ1の主要部(振動
子6及び圧電素子7)は、図1に示すように、気密型の
ケース8内に納められており、ケース8内は真空に保た
れている。
【0019】光スキャナ1は、上述のように構成されて
いるので、駆動回路によって圧電素子7をある周波数で
振動させ、この振動を振動入力部5に加えて図2のX方
向に往復振動させると、スキャン部3に慣性力が作用
し、この慣性力によって弾性変形部2は、慣性力の加わ
った方向に弾性変形して振動する。例えば、弾性変形部
2のばね剛性や慣性モーメント等から決まるねじれ変形
モードの共振周波数fTと等しい駆動周波数fで圧電素
子7を振動させ、この振動を振動入力部5に加振させる
と、弾性変形部2が当該ねじれ変形モードで共振し、図
3(a)に示すようにスキャン部3がP軸の回りに回動
角θTで回動する。また、弾性変形部2の曲げ変形モー
ドの共振周波数fBと等しい駆動周波数fで圧電素子7
を振動させ、この振動を振動入力部5に加振させると、
弾性変形部2が当該曲げ変形モードで共振し、図3
(b)に示すようにスキャン部3がQ軸の回りに回動角
θBで回動する。さらに、ねじれ変形モードの共振周波
数fTの振動と曲げ変形モードの共振周波数fBの振動を
重畳した信号を圧電素子7に印加して圧電素子7を振動
させると、弾性変形部2がねじれ変形モード及び曲げ変
形モードで共振し、スキャン部3がP軸及びQ軸の回り
に回動し、スキャン部3で反射された光ビームは2方向
に走査される。
【0020】従って、例えばレーザ共振器等から出射さ
れた光ビームαをスキャン部3のミラー面4に入射させ
ていると、ミラー面4で反射された光ビームαは、スキ
ャン部3のθTもしくはθBの回転によって2θTもしく
は2θBの走査角で走査される。なお、ケース8は全体
もしくは一部が透明となっており、図1(a)(b)に
示すようにケース8の透明部分を通して外部からスキャ
ン部3のミラー面4に光ビームαを入射させ、ケース8
の透明部分を通してミラー面4で反射された光ビームα
を外部へ出射させられるようになっている。これ以外の
点、例えばケース8の大きさや材質、密閉の方法等につ
いては特に限定されるものではない。
【0021】また、駆動回路から圧電素子7に印加する
駆動電圧を調整して圧電素子7の加振量(振幅)Xを変
えることにより、スキャン部3の回動角θT,θBを変化
させることができ、これによってスキャン部3で反射さ
れる光ビームαの走査角2θT,2θBを制御することが
できる。すなわち、圧電素子7に印加する駆動電圧を高
くして圧電素子7からの加振量Xを大きくすれば、スキ
ャン部3の回動角θT,θB及び光ビームαの走査角2θ
T,2θBを大きくすることができる。
【0022】しかしながら、この振動子6及び圧電素子
7が粘性流体中(例えば、空気中)にあると、振動子6
が共振してスキャン部3が回動する時に周囲の空気等の
粘性流体によって粘性抵抗を受け、このため約20度程
度の走査角しか得ることができなかった。
【0023】すなわち、断面積Aの物体が流体密度ρの
粘性流体中を速度Vで横切るとき、当該物体が受ける粘
性抵抗Dは、抗力係数をCとして、 D=(1/2)CρV2・A で表わされるから、スキャン部3(慣性モーメント発生
部4を含む)の面素をdAとし、スキャン部3の角速度
をωとし、スキャン部3の回転軸PまたはQから面素d
Aまでの距離をrとすると、スキャン部3には、次の数
式1で表わされる粘性抵抗Dが働く。
【0024】
【数1】
【0025】この粘性抵抗によってスキャン部3の回転
が抑制される結果、空気中に置かれた光スキャナでは大
きな走査角2θT,2θBを得ることができなかった。こ
の粘性抵抗Dを小さくするためには、まず、抗力係数C
を小さくすることが考えられるが、抗力係数Cは薄板状
の物体であれば、1.1〜1.5程度でほぼ一定であり、
抗力係数Cを小さくする方法は効果がない。また、スキ
ャン部3の回転速度(角速度ω)を小さくする方法もあ
るが、光スキャナにおいては高速の走査速度の要求が強
いため、回転速度を小さくすることは現実的でなく、ユ
ーザニーズに反する。
【0026】これに対し、本実施例の光スキャナ1で
は、振動子6及び圧電素子7を真空中に納めているの
で、流体密度ρがほぼ0となり、上記式で表わされる
粘性抵抗Dもほぼ0となる。従って、光スキャナ1のス
キャン部3は、粘性抵抗Dによって抑制されることなく
回動し、大きな角度で回動することができ、広い走査角
2θT,2θBを得ることができる。図4は、大気中と真
空中において、圧電素子7からの加振量Xを変化させ、
そのときの光スキャナ1による光ビームαの走査角2θ
T,2θBを測定した結果を示す図である。図4におい
て、θT(ATM)は大気中において光スキャナ1をねじれ変
形モードで駆動した場合の走査角を示し、θB(ATM)は大
気中において光スキャナ1を曲げ変形モードで駆動した
場合の走査角を示し、θT(VAC)は真空中(約1mmHg=1
Torr)において光スキャナ1をねじれ変形モードで駆動
した場合の走査角を示し、θT(VAC)は真空中において光
スキャナ1をねじれ変形モードで駆動した場合の走査角
を示しており、真空中においては大気中の約10倍の走
査角が得られており、粘性抵抗Dを除去した効果が顕著
に表われている。また、粘性抵抗Dがなくなったことに
より、同じ走査角で光ビームαを走査させる場合であれ
ば、圧電素子7からの加振量Xを小さくすることがで
き、駆動電源の電圧を低電圧化及び低消費電力化するこ
とができる。
【0027】図5は本発明の別な実施例における光スキ
ャナ11を示す斜視図である。この光スキャナ11にお
いては、振動子6の慣性モーメント発生部3wに粘性流
体(空気等)を逃がすための孔12を開口している。慣
性モーメント発生部3wは回転軸(P軸,Q軸)からの
距離rが大きいので、スキャン部3がP軸もしくはQ軸
の回りに回動する時、慣性モーメント発生部3wから
式の粘性抵抗Dへの寄与は大きい。この粘性抵抗Dへの
寄与の大きな部分を開口しているので、式で表わされ
る粘性抵抗Dを孔12の開口面積に比べて大幅に低減さ
せることができ、スキャン部3の回動角θT,θBを大き
くすることができる。従って、スキャン部3で反射され
る光ビームαの走査角2θT,2θBを大きくすることが
できる。簡単にいえば、大きな粘性抵抗Dを受ける部分
に孔12を開口して粘性流体を逃がすようにしたので、
スキャン部3の回動角θT,θBを大きくすることができ
る。
【0028】なお、慣性モーメント発生部3wに孔12
を開口すると、弾性変形部2に加わる慣性モーメントが
小さくなるが、この対策としては図5に示すように慣性
モーメント発生部3wの縁に重り13を取り付けたり、
振動子6の厚みを厚くしたり、比重の大きな材料で振動
子6を形成したりするとよい。これにより、孔12を開
口する前と変らない慣性モーメントを保持させることが
でき、光スキャナ11の小型形状、走査速度等の性能や
特徴を維持することができる。また、流体を逃がすため
の孔12の形状、大きさなどについては図示例に限定さ
れるものでなく、孔12の開口の仕方についても限定さ
れない。
【0029】また、光スキャナは光ビームを2方向に走
査できるものに限らず、1方向にのみ走査できる1軸型
のものでもよい。1軸型の光スキャナの一例を図6に示
す。これはP軸の回りにおけるねじれ変形モードの弾性
振動のみが可能な1軸型の光スキャナ21であって、光
ビームαを1方向にのみ走査させることができる。すな
わち、圧電素子7に接続された振動入力部5から支持腕
22が延出されており、振動入力部5から延出された弾
性変形部2と支持腕22の先端部から延出された弾性変
形部2とによってスキャン部3が両持ち状に支持されて
いる。また、スキャン部3の先端部分は幅広の慣性モー
メント発生部3wとなっている。しかして、光ビームの
走査角を大きくするため、この光スキャナ21を内部が
真空となった気密型のケース内に納めてもよい。あるい
は、慣性モーメント発生部3wに流体を逃がすための孔
を開口してもよい。
【0030】なお、本発明の光スキャナは、上記実施例
に限定されるものでなく、本発明の技術思想を逸脱しな
い範囲において種々の設計変更が可能である。例えば、
上記実施例ではスキャン部の表面そのものがミラー面と
なっていたが、ミラー面を形成された別なミラー板をス
キャン部の表面に接着させても差し支えない。また、図
示しないが、スキャン部のミラー面で光ビームを反射さ
せるのでなく、スキャン部の上に発光素子を取り付けた
り、スキャン部に発光素子を組み込んだりし、スキャン
部の発光素子から出射された光ビームをスキャン部の回
転によって走査させるようにしてもよい。
【0031】また、本発明に用いられる振動子の形状、
材質、加工方法等も限定されるものではない。例えば、
上述のような構造の振動子に限らず、例えば日本機械学
会第69期全国大会講演会講演論文集(Vol.C)588
頁に掲載されているような静電型シリコンねじり振動子
を用いて光スキャナを構成する場合にも本発明を実施す
ることができる。
【0032】さらに、振動子を励振させるための駆動源
の種類も圧電素子に限らず、また、その特性、大きさ、
構造、振動子への接合方法なども特に限定されるもので
はない。
【0033】
【発明の効果】本発明によれば、振動子の回転振幅が流
体の粘性抵抗によって抑制されにくくなるので、光スキ
ャナの回転角が大きくなり、光スキャナで反射される
光、あるいは光スキャナから出射される光の走査角を拡
大することができる。従って、小型ながら走査角の大き
な光スキャナを製作することができる。
【0034】また、同じ走査角を得るために必要な加振
量は少なくてよくなるので、駆動源への印加電圧を低く
することができ、光スキャナの駆動電源を低電圧化、低
消費電力化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)(b)は本発明の一実施例であっ
て、気密型のケースに納めた光スキャナを示す一部破断
した平面図および一部破断した正面図である。
【図2】同上の光スキャナの主要部を示す斜視図であ
る。
【図3】(a)(b)は同上の振動子のねじれ変形モー
ドを示す斜視図、(b)は同上の振動子の曲げ変形モー
ドを示す斜視図である。
【図4】大気中における光スキャナの走査角と真空中に
おける光スキャナの走査角とを比較して示す図である。
【図5】本発明の別な実施例による光スキャナを示す斜
視図である。
【図6】本発明のさらに別な実施例による光スキャナを
示す斜視図である。
【図7】従来例を示す斜視図である。
【符号の説明】
2 弾性変形部 3 スキャン部(被駆動部) 4 ミラー面 5 振動入力部 6 振動子 7 圧電素子 8 ケース 12 流体を逃がす孔

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも1つの弾性変形モードを有す
    る振動子に当該振動子の共振周波数で外部から加振し、
    当該振動子の被駆動部を共振振動によって回転させ、被
    駆動部に設けられたミラーで反射される光ビームを走査
    させるようにした光スキャナにおいて、 回転によって当該振動子が受ける流体粘性抵抗を小さく
    したことを特徴とする光スキャナ。
  2. 【請求項2】 少なくとも1つの弾性変形モードを有す
    る振動子に当該振動子の共振周波数で外部から加振し、
    当該振動子の被駆動部を共振振動によって回転させ、被
    駆動部に設けられた発光部から出射される光ビームを走
    査させるようにした光スキャナにおいて、 回転によって当該振動子が受ける流体粘性抵抗を小さく
    したことを特徴とする光スキャナ。
  3. 【請求項3】 前記振動子が、駆動源から微小振動を加
    振される振動入力部、少なくとも1つの弾性変形モード
    を有し、振動入力部に加振された振動によって共振振動
    する弾性変形部、および弾性変形部の共振振動によって
    少なくとも1方向に回転する被駆動部とからなることを
    特徴とする請求項1又は2に記載の光スキャナ。
  4. 【請求項4】 少なくとも前記振動子を真空のケース内
    に納めたことを特徴とする請求項1,2又は3に記載の
    光スキャナ。
  5. 【請求項5】 前記振動子に流体が通過できる孔を開口
    したことを特徴とする請求項1,2又は3に記載の光ス
    キャナ。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6995885B2 (en) 2003-06-30 2006-02-07 Ricoh Company, Ltd. Vibrating mirror, optical scanner using vibrating mirror, and image reproducing and forming apparatus
JP2013186442A (ja) * 2012-03-12 2013-09-19 Sumitomo Heavy Ind Ltd ガルバノスキャナ
DE102016201439A1 (de) * 2016-02-01 2017-08-03 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Gehäuse zur Aufnahme einer schwingenden Vorrichtung, Scanvorrichtung, Mikroskop und Verfahren

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