JPH05297307A - Optical scanner - Google Patents
Optical scannerInfo
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- JPH05297307A JPH05297307A JP4128218A JP12821892A JPH05297307A JP H05297307 A JPH05297307 A JP H05297307A JP 4128218 A JP4128218 A JP 4128218A JP 12821892 A JP12821892 A JP 12821892A JP H05297307 A JPH05297307 A JP H05297307A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は光スキャナに関する。具
体的にいうと、本発明は、例えばレーザビームプリンタ
やバーコードリーダ等において、光ビームを一次元また
は二次元状に走査させる光スキャナに関する。FIELD OF THE INVENTION This invention relates to optical scanners. More specifically, the present invention relates to an optical scanner that scans a light beam one-dimensionally or two-dimensionally in, for example, a laser beam printer or a bar code reader.
【０００２】[0002]
【従来の技術と問題点】光学部品の小型軽量化の要求に
応じるため、出願人は、単結晶シリコン基板をエッチン
グして作製した小型軽量の振動子（縦横各１５ｍｍ、厚
さ０.１５ｍｍ、重量０.０８ｇ）を圧電素子で共振させ
るようにした超小型の２次元方向に走査可能な光スキャ
ナを提案した。2. Description of the Related Art In order to meet the demand for reduction in size and weight of optical parts, the applicant has made a small and lightweight vibrator (15 mm in length and width, 0.15 mm in thickness, each made by etching a single crystal silicon substrate). We proposed an ultra-compact optical scanner capable of scanning in a two-dimensional direction with a weight of 0.08 g) resonated by a piezoelectric element.
【０００３】この従来例の光スキャナを図９に示す。こ
の光スキャナ５１に使用される振動子５２は、曲げ方向
（θB方向）及びねじれ方向（θT方向）に弾性変形モー
ドを有する弾性変形部５３の一端に振動入力部５４を設
け、他端に光ビーム反射用のスキャン部５５を設け、ス
キャン部５５の片袖部にスキャン部５５の慣性モーメン
トを増大させるための慣性モーメント発生翼５６を形成
したものである。この振動子５２の振動入力部５４には
圧電素子５７が取り付けられており、弾性変形部５３の
曲げ変形モードの共振周波数ｆBと等しい周波数の振動
を圧電素子５７から振動入力部５４に印加すると、スキ
ャン部５５がθB方向に回動し、弾性変形部５３のねじ
れ変形モードの共振周波数ｆTと等しい周波数の振動を
圧電振動子５７から振動入力部５４に印加すると、スキ
ャン部５５がθT方向に回動する。しかして、スキャン
部５５に光ビームを照射していると、反射光がθB方向
もしくはθT方向に走査される。FIG. 9 shows this conventional optical scanner. A vibrator 52 used in the optical scanner 51 is provided with a vibration input section 54 at one end of an elastic deformation section 53 having an elastic deformation mode in a bending direction (θ B direction) and a twist direction (θ T direction), and the other end. Further, a scanning section 55 for reflecting the light beam is provided on the one side, and an inertia moment generating blade 56 for increasing the moment of inertia of the scanning section 55 is formed on one sleeve of the scanning section 55. A piezoelectric element 57 is attached to the vibration input section 54 of the vibrator 52, and when a vibration having a frequency equal to the resonance frequency f B of the bending deformation mode of the elastic deformation section 53 is applied from the piezoelectric element 57 to the vibration input section 54. When the scanning unit 55 rotates in the θ B direction and a vibration having a frequency equal to the resonance frequency f T of the torsional deformation mode of the elastic deformation unit 53 is applied from the piezoelectric vibrator 57 to the vibration input unit 54, the scanning unit 55 rotates by θ. Rotate in the T direction. Then, when the scanning unit 55 is irradiated with the light beam, the reflected light is scanned in the θ B direction or the θ T direction.
【０００４】しかしながら、図９のような光スキャナ５
１にあっては、圧電素子５７の振幅が一定値以上になる
と、光スキャナ５１の走査角が飽和し、圧電素子５７の
振幅を大きくしても一定値以上に走査角を増大させるこ
とができなかった（本発明の実施例と比較して後述す
る；図２）。これは振動子５２の可動部分に空気抵抗が
働いているためであり、空気抵抗の低減が光スキャナ５
１の走査角の拡大に有効である、との知見に本発明の発
明者らは達した。However, the optical scanner 5 as shown in FIG.
In No. 1, when the amplitude of the piezoelectric element 57 becomes a certain value or more, the scanning angle of the optical scanner 51 is saturated, and even if the amplitude of the piezoelectric element 57 is increased, the scanning angle can be increased to a certain value or more. None (discussed below in comparison with the examples of the invention; FIG. 2). This is because the air resistance acts on the movable portion of the oscillator 52, and the reduction of the air resistance is caused by the optical scanner 5.
The inventors of the present invention have reached the finding that it is effective for increasing the scanning angle of 1.
【０００５】すなわち、断面積Ａの物体が空気密度ρの
空気中を速度Ｖで横切るとき、当該物体が受ける空気抵
抗Ｄは、抗力係数（空力定数）をＣとして、 Ｄ＝（1/2）ＣρＶ2・Ａ で表わされるから、図１０に示すように、スキャン部５
５及び慣性モーメント発生翼５６の面素をｄＡとし、ス
キャン部５５の角速度をωとし、スキャン部５５の回転
軸（例えばＰ軸）から面素ｄＡまでの距離をｒとする
と、スキャン部５５には、次の数式１で表わされる空気
抵抗Ｄが働く。That is, when an object having a cross-sectional area A traverses the air having an air density ρ at a velocity V, the air resistance D received by the object is D = (1/2), where C is the drag coefficient (aerodynamic constant). Since it is represented by CρV 2 · A, as shown in FIG.
5 and the moment of inertia generating blade 56 is dA, the angular velocity of the scanning unit 55 is ω, and the distance from the rotation axis (for example, P axis) of the scanning unit 55 to the surface element dA is r, the scanning unit 55 Has an air resistance D expressed by the following mathematical formula 1.
【０００６】[0006]
【数１】 [Equation 1]
【０００７】この空気抵抗によってスキャン部５５の回
転が抑制される結果、空気中に置かれた光スキャナ５１
では大きな走査角を得ることができなかった。As a result of the rotation of the scanning section 55 being suppressed by this air resistance, the optical scanner 51 placed in the air
However, a large scan angle could not be obtained.
【０００８】したがって、光スキャナの走査角を拡大す
るためには、空気抵抗Ｄを小さくすることが必要であ
り、そのためには、空気密度ρを小さくする、可動
部分の面積を小さくする、スキャン部の角速度ωを小
さくする、といった３通りの方法が考えられる。Therefore, in order to increase the scanning angle of the optical scanner, it is necessary to reduce the air resistance D. For that purpose, the air density ρ is reduced, the area of the movable portion is reduced, and the scanning portion is reduced. There are three possible methods of decreasing the angular velocity ω of.
【０００９】しかしながら、の角速度ωを小さくする
方法では、光スキャナの高速動作が抑制される結果とな
るため、実用的でないという欠点がある。However, the method of reducing the angular velocity ω has the drawback of not being practical because it results in the suppression of high-speed operation of the optical scanner.
【００１０】そこで、本発明の発明者らは、内部を真空
ないし低圧にしたケース内に光スキャナを真空封入する
の方法を考えた。そして、曲げ変形モード及びねじれ
変形モードの可能なシリコン基板製の振動子（厚さｔ＝
１００μｍ、弾性変形部の長さＬ＝３ｍｍ）を有する光
スキャナに１０Ｖの駆動電圧を印加し、光スキャナの周
囲の気圧を常圧（７６０Torr）から０.１Torrまで減圧
し、各気圧で光スキャナの走査角を測定した。図１１は
こうして得た光スキャナの周囲の気圧と光スキャナの走
査角との関係を示しており、また、左側のスケールは常
圧の走査角を１とする走査角拡大率を表わしている。図
１１によれば、光スキャナの走査角は、真空度１Torr前
後でその振る舞いが異なっている。これは、気圧が１To
rrよりも低下すると、雰囲気の状態が粘性流領域から分
子流領域に変化したためと考えられる。Therefore, the inventors of the present invention have considered a method of vacuum-sealing the optical scanner in a case whose inside is vacuum or low-pressure. Then, a vibrator made of a silicon substrate (thickness t =
A driving voltage of 10 V is applied to an optical scanner having 100 μm and a length L of elastically deformable portion of 3 mm) to reduce the atmospheric pressure around the optical scanner from normal pressure (760 Torr) to 0.1 Torr, and the optical scanner at each atmospheric pressure. Was measured. FIG. 11 shows the relationship between the atmospheric pressure around the optical scanner thus obtained and the scanning angle of the optical scanner, and the scale on the left side shows the scanning angle enlargement ratio where the scanning angle at normal pressure is 1. According to FIG. 11, the behavior of the scanning angle of the optical scanner is different at a vacuum degree of about 1 Torr. This is 1To
It is considered that when the pressure falls below rr, the state of the atmosphere changes from the viscous flow region to the molecular flow region.
【００１１】この測定結果より光スキャナの走査角を増
大させるためには、光スキャナを真空封入する方法が効
果的であると考えられた。しかしながら、図１１の曲線
によれば、封入真空度が１Torr以下（気圧≧１Torr）で
はあまり効果がなく、真空度が１Torr以上（気圧≦１To
rr）では真空度の微妙な変化に対して走査角が大きく変
化してしまい、走査角が不安定になり易いという欠点が
ある。また、光スキャナを真空封入する方法では、経年
的な真空漏れを防止するのが難しく、製造工程の増加に
伴って大幅にコストが上昇する。このため、最終的に
は、真空封入は実用的でないとの結論に達した。From the results of this measurement, it was considered that the method of vacuum-sealing the optical scanner is effective for increasing the scanning angle of the optical scanner. However, according to the curve in FIG. 11, when the enclosed vacuum degree is 1 Torr or less (atmospheric pressure ≧ 1 Torr), there is little effect, and the vacuum degree is 1 Torr or more (atmospheric pressure ≦ 1 Torr).
rr) has a drawback that the scanning angle greatly changes due to a slight change in the degree of vacuum, and the scanning angle tends to be unstable. In addition, it is difficult to prevent vacuum leakage over time by the method of vacuum-sealing the optical scanner, and the cost is significantly increased as the number of manufacturing processes increases. Therefore, it was finally concluded that vacuum encapsulation is not practical.
【００１２】また、の方法として、図１２に示すよう
に慣性モーメント発生翼５６に空気抵抗除荷用の穴５９
を開口した光スキャナ５８を試みた。光スキャナにおい
ては可動部分が弾性変形部を中心として回転運動をする
ので、可動部分に働く空気抵抗は回転中心からの距離ｒ
とその面素ｄＡの総和∫ｒ2ｄＡで効いてくる。すなわ
ち、空気抵抗を低減させるためには、∫ｒ2ｄＡを最小
にする必要がある。しかしながら、図１２の光スキャナ
５８のように慣性モーメント発生翼５６に穴５９を開口
した構造では、回転中心からの距離ｒの大きな部分に慣
性モーメント発生翼（外側縁部分）が残っているため、
従来構造の約２倍の走査角しか得られなかった（本発明
の実施例と比較して後述する；図３）。As another method, as shown in FIG. 12, a hole 59 for unloading air resistance is formed in the moment of inertia generating blade 56.
An optical scanner 58 having an open aperture was tried. In the optical scanner, since the movable part makes a rotational movement around the elastically deformable part, the air resistance acting on the movable part is the distance r from the rotation center.
And the sum of the surface elements dA ∫ r 2 dA comes into play. That is, in order to reduce the air resistance, it is necessary to minimize ∫r 2 dA. However, in the structure in which the hole 59 is opened in the moment of inertia generating blade 56 as in the optical scanner 58 of FIG. 12, the moment of inertia generating blade (outer edge portion) remains in the portion where the distance r from the center of rotation is large.
Only about twice the scanning angle of the conventional structure was obtained (which will be described later in comparison with the embodiment of the present invention; FIG. 3).
【００１３】したがって、空気抵抗を最小にしようとす
れば、慣性モーメント発生翼を除去してスキャン部を回
転軸近傍のミラー部分だけで構成すればよい。しかし、
この場合には、慣性モーメント発生翼がなくなるため、
弾性変形部の振動に必要な慣性力の発生が抑制され、期
待されたほど走査角を拡大することができなかった。Therefore, if the air resistance is to be minimized, it is sufficient to eliminate the inertia moment generating blades and configure the scanning unit only with the mirror portion near the rotation axis. But,
In this case, since the blade for generating the moment of inertia disappears,
The generation of the inertial force necessary for the vibration of the elastically deformable portion was suppressed, and the scanning angle could not be expanded as expected.
【００１４】[0014]
【発明が解決しようとする課題】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、スキャン部が回動時に受ける空気抵抗を小さく
すると共に慣性モーメントの減少防止もしくは増加を図
ることにより、大きな走査角を得ることにある。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned drawbacks of the prior art, and an object of the present invention is to reduce the air resistance received at the time of the rotation of the scanning portion and the moment of inertia. Is intended to obtain a large scanning angle by preventing or increasing.
【００１５】[0015]
【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弾性変形部
と、前記弾性変形部の一端に設けられ、印加された振動
を前記弾性変形部に伝える振動入力部と、前記弾性変形
部の他端に設けられ、前記弾性変形部の弾性変形モード
に応じて回動するスキャン部と、前記振動入力部に振動
を印加する加振源を備えた光スキャナにおいて、前記ス
キャン部を回転による粘性流体抵抗を受けにくい形状と
し、スキャン部の粘性流体抵抗を増加させることなく、
かつ、スキャン部の慣性モーメントを増大させるための
重りをスキャン部に設けたことを特徴としている。The optical scanner of the present invention comprises:
An elastic deformation part having at least one elastic deformation mode, a vibration input part provided at one end of the elastic deformation part and transmitting applied vibration to the elastic deformation part, and provided at the other end of the elastic deformation part, In an optical scanner including a scanning unit that rotates according to an elastic deformation mode of the elastic deformation unit and a vibration source that applies vibration to the vibration input unit, the scanning unit has a shape that is less susceptible to viscous fluid resistance due to rotation. And without increasing the viscous fluid resistance of the scan section,
In addition, it is characterized in that a weight for increasing the moment of inertia of the scanning section is provided in the scanning section.
【００１６】また、発光素子、受光素子、レンズ等の光
学部品によって上記重りを形成してもよい。Further, the weight may be formed by optical components such as a light emitting element, a light receiving element and a lens.
【００１７】[0017]
【作用】本発明にあっては、スキャン部が回動時に受け
る粘性流体抵抗（空気抵抗）を低減させることによって
走査角の拡大を図り、さらに、スキャン部に重りを設け
ることによってスキャン部の粘性流体抵抗を増加させる
ことなく慣性モーメントの減少を補償している。あるい
は、慣性モーメントを従来よりも増加させることもでき
る。したがって、粘性流体抵抗が小さく、かつ、慣性モ
ーメントの大きな光スキャナを製作することができ、走
査角の上限値を大きくすることができる。また、加振源
からの小さな入力振動によっても大きな走査角を得るこ
とができる。According to the present invention, the scanning angle is increased by reducing the viscous fluid resistance (air resistance) that the scanning unit receives when the scanning unit is rotated, and further, the weight of the scanning unit is provided to increase the viscosity of the scanning unit. It compensates for the decrease in the moment of inertia without increasing the fluid resistance. Alternatively, the moment of inertia can be increased more than before. Therefore, it is possible to manufacture an optical scanner having a small viscous fluid resistance and a large moment of inertia, and it is possible to increase the upper limit of the scanning angle. Also, a large scanning angle can be obtained by a small input vibration from the vibration source.
【００１８】さらに、重りの取り付け位置や質量を調整
することにより、弾性変形部における弾性変形モードの
共振周波数を調整することができ、振動子の設計自由度
が大きくなると共に各仕様向けの設計が容易になる。Furthermore, the resonance frequency of the elastic deformation mode in the elastic deformation portion can be adjusted by adjusting the mounting position of the weight and the mass, which increases the degree of freedom in designing the vibrator and makes it possible to design for each specification. It will be easier.
【００１９】さらに、慣性モーメントを付与するための
重りとして発光素子や受光素子、レンズ等の光学部品を
用いれば、光スキャナを多機能化できるうえ、部品の共
通化を図ることができる。Furthermore, if optical parts such as a light emitting element, a light receiving element, and a lens are used as a weight for giving a moment of inertia, the optical scanner can be made multifunctional and the parts can be made common.
【００２０】[0020]
【実施例】図１に本発明の一実施例による光スキャナ１
を示す。この光スキャナ１に用いられている振動子２
は、曲げ変形モードとねじれ変形モードを有するトーシ
ョンバー状の弾性変形部３の一端に振動入力部４を設
け、他端にスキャン部５を設けたものであって、シリコ
ン基板を加工したものである。スキャン部５は、弾性変
形部３の軸心Ｐに対してほぼ左右対称な形状となってお
り、その表面には鏡面加工されたミラー面６が形成さ
れ、裏面の側端部には重り７が取り付けられている。し
たがって、スキャン部５は、従来の光スキャナ５１の慣
性モーメント発生翼５６を除去した形状となっている。
スキャン部５の大きさは、回動しながら光ビームを反射
させられるだけの面積のミラー面６を形成することがで
きればよく、できるだけ小さくして（例えば、縦横各５
ｍｍ以下）空気抵抗が十分無視できるようにすることが
好ましい。また、振動入力部４は圧電素子等の加振源８
に固定されている。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows an optical scanner 1 according to an embodiment of the present invention.
Indicates. Transducer 2 used in this optical scanner 1
Is a torsion bar-shaped elastically deformable portion 3 having a bending deformation mode and a torsional deformation mode, provided with a vibration input portion 4 at one end and a scan portion 5 at the other end, which is obtained by processing a silicon substrate. is there. The scanning unit 5 has a shape that is substantially symmetrical with respect to the axis P of the elastically deforming unit 3, has a mirror-finished mirror surface 6 formed on the surface thereof, and a weight 7 at the side end of the back surface. Is attached. Therefore, the scanning unit 5 has a shape in which the inertial moment generating blade 56 of the conventional optical scanner 51 is removed.
The size of the scanning unit 5 may be any size as long as it can form the mirror surface 6 having an area capable of reflecting the light beam while rotating, and it should be as small as possible (for example, 5 in each of the vertical and horizontal directions).
(mm or less) It is preferable that the air resistance can be sufficiently ignored. Further, the vibration input unit 4 is a vibration source 8 such as a piezoelectric element.
It is fixed to.
【００２１】しかして、加振源８により弾性変形部３の
曲げ変形モードの共振周波数ｆB又は／及びねじれ変形
モードの共振周波数ｆTと等しい周波数の振動を振動入
力部４へ印加すると、弾性変形部３が当該弾性変形モー
ドで振動し、スキャン部５を曲げ方向（θB方向）又は
／及びねじれ方向（θT方向）に回動させる。このと
き、スキャン部５のミラー面６に光ビームが照射されて
いると、反射された光ビームはスキャン部５の回動角の
２倍の走査角で走査される。Therefore, when the vibration source 8 applies a vibration having a frequency equal to the resonance frequency f B of the bending deformation mode of the elastic deformation portion 3 and / or the resonance frequency f T of the torsion deformation mode to the vibration input portion 4, The deforming portion 3 vibrates in the elastic deformation mode, and rotates the scanning portion 5 in the bending direction (θ B direction) and / or the twisting direction (θ T direction). At this time, if the mirror surface 6 of the scanning unit 5 is irradiated with the light beam, the reflected light beam is scanned at a scanning angle twice the rotation angle of the scanning unit 5.
【００２２】上記のような光スキャナ１においては、ス
キャン部５の外形寸法をできるだけ小さくすることによ
りスキャン部５の受ける空気抵抗を小さくしているが、
スキャン部５自体は弾性変形部３に対してほぼ左右対称
な形状をしているので、θT方向にスキャン部５を回動
させる慣性モーメントがほとんど発生しない。また、θ
B方向の慣性モーメントも、図９のような構造の光スキ
ャナ５１より小さくなり、十分な走査角を期待できな
い。しかし、スキャン部５の縁に重り７を取り付けるこ
とにより、スキャン部５の外形寸法を大きくすることな
く（したがって、空気抵抗を増大させることなく）、ス
キャン部５自体の慣性モーメントの減少を補償してスキ
ャン部５の受ける慣性モーメントを増加させることがで
き、スキャン部５の回動角を増大させることができる。
また、この重り７の重量や取り付け位置を調整すること
により、スキャン部５の慣性モーメントを調整すること
ができる。In the optical scanner 1 as described above, the air resistance received by the scanning unit 5 is reduced by making the external dimensions of the scanning unit 5 as small as possible.
Since the scanning section 5 itself has a shape that is substantially symmetrical with respect to the elastic deformation section 3, almost no moment of inertia for rotating the scanning section 5 in the θ T direction is generated. Also, θ
The moment of inertia in the B direction is also smaller than that of the optical scanner 51 having the structure shown in FIG. 9, and a sufficient scanning angle cannot be expected. However, by attaching the weight 7 to the edge of the scan unit 5, it is possible to compensate for the decrease in the moment of inertia of the scan unit 5 itself without increasing the outer dimensions of the scan unit 5 (and thus without increasing the air resistance). As a result, the moment of inertia received by the scan unit 5 can be increased, and the rotation angle of the scan unit 5 can be increased.
Further, the moment of inertia of the scanning unit 5 can be adjusted by adjusting the weight of the weight 7 and the mounting position.
【００２３】図２に示すものは、本発明の実施例による
光スキャナ１と従来例の光スキャナ５１（図９）におけ
る加振源８の振幅ｘと各光スキャナ１の走査角との関係
を示す図である。ここで用いた光スキャナ１は、（１１
０）面シリコン基板から得た振動子２に幅１５０μｍ、
長さ３ｍｍ、厚み１５０μｍの弾性変形部３を形成し、
スキャン部５に３０ｇの重り７を２個取り付けたもので
ある。この光スキャナ１に曲げ変形モードの共振周波数
ｆB＝１５５Ｈｚと等しい周波数の振動を印加してスキ
ャン部５を回動させた場合、走査角と加振源８の振幅と
の関係は曲線イのようになった。また、光スキャナ１に
ねじれ変形モードの共振周波数ｆT＝５２６Ｈｚと等し
い周波数の振動を印加してスキャン部５を回動させた場
合、走査角と加振源８の振幅との関係は曲線ロのように
なった。FIG. 2 shows the relationship between the amplitude x of the vibration source 8 and the scanning angle of each optical scanner 1 in the optical scanner 1 according to the embodiment of the present invention and the conventional optical scanner 51 (FIG. 9). FIG. The optical scanner 1 used here is (11
The width of the vibrator 2 obtained from the 0) plane silicon substrate is 150 μm,
Forming an elastically deformable portion 3 having a length of 3 mm and a thickness of 150 μm,
Two 30 g weights 7 are attached to the scanning unit 5. When a vibration having a frequency equal to the resonance frequency f B = 155 Hz of the bending deformation mode is applied to the optical scanner 1 to rotate the scanning unit 5, the relationship between the scanning angle and the amplitude of the vibration source 8 is represented by the curve a. It became so. Further, when the scanning unit 5 is rotated by applying vibration having a frequency equal to the resonance frequency f T = 526 Hz of the twist deformation mode to the optical scanner 1, the relationship between the scanning angle and the amplitude of the vibration source 8 is a curved line. It became like.
【００２４】一方、従来例の光スキャナ５１は、（１１
０）面シリコン基板から得た振動子５２に幅１５０μ
ｍ、長さ３ｍｍ、厚み１５０μｍの弾性変形部５３を形
成し、スキャン部５５に適当な慣性モーメント発生翼５
６を設けたものである。この光スキャナ５１に曲げ変形
モードの共振周波数ｆB＝２５０Ｈｚと等しい周波数の
振動を印加してスキャン部５５を回動させた場合、走査
角と加振源５７の振幅との関係は曲線ハのようになっ
た。また、光スキャナ５１にねじれ変形モードの共振周
波数ｆT＝１０２Ｈｚと等しい周波数の振動を印加して
スキャン部５５を回動させた場合、走査角と加振源５７
の振幅との関係は曲線ニのようになった。On the other hand, in the conventional optical scanner 51, (11
The width of the oscillator 52 obtained from the (0) plane silicon substrate is 150 μm.
m, length 3 mm, thickness 150 μm elastically deforming portion 53 is formed, and the appropriate moment of inertia generating blade 5 is formed on the scanning portion 55.
6 is provided. When a vibration having a frequency equal to the resonance frequency f B = 250 Hz of the bending deformation mode is applied to the optical scanner 51 to rotate the scanning unit 55, the relationship between the scanning angle and the amplitude of the vibration source 57 is represented by the curve C. It became so. Further, when the scanning unit 55 is rotated by applying vibration having a frequency equal to the resonance frequency f T = 102 Hz of the twist deformation mode to the optical scanner 51, the scanning angle and the vibration source 57 are applied.
The relationship with the amplitude of was like a curve d.
【００２５】図２によると、従来の光スキャナ５１を表
わす曲線ハ及びニでは、加振源５７の振幅を大きくして
も走査角は飽和し、大きな走査角を得ることができな
い。これに対し、実施例の光スキャナ１を表わす曲線イ
及びロでは、走査角が飽和せず、加振源５７の小さな振
幅で大きな走査角を得ることができた。According to FIG. 2, with the curves C and D representing the conventional optical scanner 51, even if the amplitude of the vibration source 57 is increased, the scanning angle is saturated and a large scanning angle cannot be obtained. On the other hand, in curves A and B representing the optical scanner 1 of the embodiment, the scanning angle was not saturated, and a large scanning angle could be obtained with a small amplitude of the vibration source 57.
【００２６】このように十分な走査角を得るのに、加振
源８の振幅を小さくすることができたので、加振源８を
駆動するための駆動電圧が従来の約１／１０で済み、低
電圧駆動を実現できた。Since the amplitude of the vibration source 8 can be reduced in order to obtain a sufficient scanning angle in this way, the driving voltage for driving the vibration source 8 is about 1/10 of the conventional one. It was possible to realize low voltage drive.
【００２７】また、図３は従来の光スキャナ５１を基準
とし、慣性モーメント発生翼５６に穴を開口した図１２
のような光スキャナ５８及び本実施例の光スキャナ１の
曲げ変形モード駆動時及びねじれ変形モード駆動時にお
ける空気抵抗と走査角拡大率を示している。すなわち、
横軸は、従来の光スキャナ５１における空気抵抗を１と
した時の空気抵抗を表わしており、縦軸は従来の光スキ
ャナ５１における走査角を１とした時の走査角を示して
いる。したがって、従来の光スキャナ５１は横軸の空気
抵抗Ｄ＝１の上に位置している。この図３によれば、図
１２の光スキャナ５８では、走査角は従来の光スキャナ
５１の２倍程度にしかならないが、本実施例の光スキャ
ナ１では空気抵抗が最小限に抑えられ、また、十分な慣
性力も得られるので、従来構造の光スキャナ５１の７倍
以上の走査角を得ることができた。Further, FIG. 3 is based on the conventional optical scanner 51, and is shown in FIG.
The air resistance and the scanning angle enlargement ratio of the optical scanner 58 and the optical scanner 1 of the present embodiment during the bending deformation mode driving and the torsion deformation mode driving are shown. That is,
The horizontal axis represents the air resistance when the air resistance of the conventional optical scanner 51 is 1, and the vertical axis represents the scanning angle when the scanning angle of the conventional optical scanner 51 is 1. Therefore, the conventional optical scanner 51 is located above the air resistance D = 1 on the horizontal axis. According to FIG. 3, the optical scanner 58 of FIG. 12 has a scanning angle only about twice as large as that of the conventional optical scanner 51, but the optical scanner 1 of the present embodiment minimizes air resistance. Since a sufficient inertial force can be obtained, a scanning angle 7 times or more that of the conventional optical scanner 51 can be obtained.
【００２８】また、本発明の光スキャナ１にあっては、
振動子２の面積を小さくしているので、光スキャナ１自
体の大きさも小さくなり、より超小型の光スキャナ１を
実現できる。さらに、１枚のシリコンウエハから取り出
せる振動子２の枚数が増加し、生産効率が向上する。Further, in the optical scanner 1 of the present invention,
Since the area of the vibrator 2 is made small, the size of the optical scanner 1 itself is also made small, so that a more compact optical scanner 1 can be realized. Further, the number of vibrators 2 that can be taken out from one silicon wafer is increased, and the production efficiency is improved.
【００２９】図４に示すものは、本発明の別な実施例に
よる光スキャナ１１であって、圧電素子８ａの一端もし
くは両端に変位拡大機構１２を設けて加振源８を構成し
たものである。この変位拡大機構１２は、ブリッジ状も
しくはドーム状に形成されていて圧電素子８ａとの間に
空間ｓを形成されており、圧電素子８ａの横方向歪を縦
方向歪に変換すると共に歪を増幅する働きをする。した
がって、この変位拡大機構１２を設けられた加振源８
は、圧電素子８ａの縦方向変位と圧電素子８ａの横方向
歪から変換された縦方向変位とを重畳して出力すること
ができ、小さな駆動電圧によって大きな振動を出力する
ことができる。よって、このような加振源８を用いるこ
とにより、小さな駆動電圧により大きな走査角を得るこ
とができる。FIG. 4 shows an optical scanner 11 according to another embodiment of the present invention, in which a vibrating source 8 is constructed by providing a displacement magnifying mechanism 12 at one end or both ends of a piezoelectric element 8a. .. The displacement magnifying mechanism 12 is formed in a bridge shape or a dome shape and has a space s formed between the piezoelectric element 8a and the piezoelectric element 8a. The displacement magnifying mechanism 12 converts a lateral strain of the piezoelectric element 8a into a longitudinal strain and amplifies the strain. To work. Therefore, the vibration source 8 provided with the displacement magnifying mechanism 12
Can superimpose and output the vertical displacement of the piezoelectric element 8a and the vertical displacement converted from the lateral strain of the piezoelectric element 8a, and can output a large vibration with a small driving voltage. Therefore, by using such an excitation source 8, a large scanning angle can be obtained with a small driving voltage.
【００３０】この光スキャナ１１によれば、十分な走査
角を得るのに必要な加振源８の振幅をより小さくできる
ので、加振源８を駆動するための駆動電圧が従来の約１
／２０で済むようになった。According to this optical scanner 11, since the amplitude of the vibration source 8 required to obtain a sufficient scanning angle can be made smaller, the drive voltage for driving the vibration source 8 is about 1 of the conventional one.
It came to / 20.
【００３１】図５に本発明のさらに別な実施例による光
スキャナ１３を示す。この光スキャナ１３は、ミラー面
６によって光ビームを反射するものでなく、自ら光を出
射する機能を備えている。すなわち、略左右対称な形状
をした小さなスキャン部５の側端部に半導体発光素子１
４及び受光素子１５を搭載し、スキャン部５の側端縁に
略Ｌ形をした透明な補助片１６を取り付け、補助片１６
の先端部に設けられたマイクロフレネルレンズのような
微小な２個のレンズ１７，１７を発光素子１４及び受光
素子１５と対向させている。FIG. 5 shows an optical scanner 13 according to another embodiment of the present invention. The optical scanner 13 does not reflect the light beam by the mirror surface 6 but has a function of emitting light by itself. That is, the semiconductor light emitting device 1 is attached to the side end of the small scanning unit 5 having a substantially symmetrical shape.
4 and the light-receiving element 15 are mounted, and a substantially L-shaped transparent auxiliary piece 16 is attached to the side edge of the scanning unit 5, and the auxiliary piece 16 is attached.
Two minute lenses 17, 17 such as a micro-Fresnel lens provided at the tip of the lens are opposed to the light emitting element 14 and the light receiving element 15.
【００３２】しかして、この光スキャナ１３は、小型の
光走査型センサ等として用いられるものであって、発光
素子１４から光ビームを出射すると、光ビームはレンズ
１７によってコリメートもしくは集光され、スキャン部
５のθT方向もしくはθB方向の回動に伴って走査され
る。この光スキャナ１３から出射されている走査光は対
象物（例えば、バーコードラベル等）によって反射さ
れ、再びレンズ１７を通して受光素子１５で受光され
る。However, the optical scanner 13 is used as a small optical scanning type sensor or the like, and when the light beam is emitted from the light emitting element 14, the light beam is collimated or condensed by the lens 17 and scanned. Scanning is performed as the portion 5 rotates in the θ T direction or the θ B direction. The scanning light emitted from the optical scanner 13 is reflected by an object (for example, a barcode label or the like), and is again received by the light receiving element 15 through the lens 17.
【００３３】この光スキャナ１３にあっては、発光素子
１４、受光素子１５及びレンズ１７，１７は光ビームを
出射及び受光する光学的な（あるいは、センサヘッド
の）機能を果たしているだけでなく、弾性変形部３の回
転中心から少しはずれた位置に配置されていてそれらの
重量によってスキャン部５の慣性モーメントを増大させ
るための重り７としての機能も有しており、別途重り７
を設ける必要がない。In this optical scanner 13, the light emitting element 14, the light receiving element 15 and the lenses 17, 17 not only perform the optical (or sensor head) function of emitting and receiving a light beam, but also The elastically deformable portion 3 is arranged at a position slightly deviated from the center of rotation and also has a function as a weight 7 for increasing the moment of inertia of the scan portion 5 due to their weight.
Need not be provided.
【００３４】図６は本発明のさらに別な実施例による光
スキャナ１８を示す一部分解した斜視図である。この光
スキャナ１８にあっては、スキャン部５の側縁部に重り
７の位置決め用ガイド溝１９を形成し、重り７にガイド
溝１９と噛み合う嵌合部２０を突設してあり、重り７の
嵌合部２０をスキャン部５のガイド溝１９に嵌合させて
位置決めした状態でスキャン部５に重り７を取り付けて
いる。FIG. 6 is a partially exploded perspective view showing an optical scanner 18 according to another embodiment of the present invention. In this optical scanner 18, a positioning guide groove 19 for the weight 7 is formed on the side edge portion of the scanning portion 5, and a fitting portion 20 that meshes with the guide groove 19 is provided on the weight 7 in a protruding manner. The weight 7 is attached to the scanning unit 5 in a state where the fitting unit 20 is fitted into the guide groove 19 of the scanning unit 5 and positioned.
【００３５】重り７を後からスキャン部５に接着する場
合には、重り７の接着位置がずれ易く、重り７の接着位
置がずれると、重り７の位置の微妙な違いによってスキ
ャン部５の慣性モーメントが変化し、光スキャナの共振
周波数が変化する。従って、重り７の位置決め精度が重
要となり、本実施例では、重り７の嵌合部２０とスキャ
ン部５のガイド溝１９によって重り７の位置決めを行な
っているので、重り位置の再現性が向上し、慣性モーメ
ントの精度を向上させることができる。この結果、光ス
キャナ１８の歩留りを向上させることができる。When the weight 7 is later bonded to the scanning unit 5, the bonding position of the weight 7 is likely to be displaced, and when the bonding position of the weight 7 is displaced, the inertia of the scanning unit 5 is caused by the subtle difference in the position of the weight 7. The moment changes and the resonant frequency of the optical scanner changes. Therefore, the positioning accuracy of the weight 7 is important, and in this embodiment, the weight 7 is positioned by the fitting portion 20 of the weight 7 and the guide groove 19 of the scanning portion 5, so that the reproducibility of the weight position is improved. The accuracy of the moment of inertia can be improved. As a result, the yield of the optical scanner 18 can be improved.
【００３６】図７に示すものは本発明のさらに別な実施
例による光スキャナ２１である。この光スキャナ２１に
あっては、弾性変形部３の一端の片側にのみスキャン部
５を設け、このスキャン部５の面積をミラー面６に必要
な面積（約２５ｍｍ2）とほぼ等しい面積とし、スキャ
ン部５全体をミラー面６としている。形状は図９の従来
の光スキャナ５１と類似しているが、スキャン部５の面
積は従来例に比較して大幅に減少しており、そのためス
キャン部５の裏面に取り付けた重り７によって慣性モー
メントを得ている。FIG. 7 shows an optical scanner 21 according to still another embodiment of the present invention. In this optical scanner 21, the scanning section 5 is provided only on one side of one end of the elastically deforming section 3, and the area of the scanning section 5 is set to be approximately equal to the area required for the mirror surface 6 (about 25 mm 2 ). The entire scanning unit 5 is a mirror surface 6. Although the shape is similar to that of the conventional optical scanner 51 shown in FIG. 9, the area of the scanning unit 5 is significantly smaller than that of the conventional example. Therefore, the weight 7 attached to the back surface of the scanning unit 5 causes a moment of inertia. Is getting
【００３７】図８に示すものは本発明のさらに別な実施
例による光スキャナ２２を示す斜視図である。この光ス
キャナ２２はねじれ変形モードのみが可能な自由度１の
光スキャナであって、２本の弾性変形部３がスキャン部
５を挟んで直線状に配置されており、両弾性変形部３の
端部がスキャン部５と一体となっており、両弾性変形部
３の他端間に略Ｃ形をした振動入力部４が設けられてお
り、振動入力部４の中央部に圧電素子のような加振源８
が取り付けられている。このスキャン部５は、空気抵抗
を小さくするよう小さな面積にしてあり、側縁に取り付
けた重り７によって慣性モーメントを得ている。なお、
この光スキャナ２２にあっても、図６の実施例と同様ス
キャン部５に設けたガイド溝１９に重り７の嵌合部２０
を嵌合させることによって重り７を位置決めさせるよう
にしてもよい。FIG. 8 is a perspective view showing an optical scanner 22 according to another embodiment of the present invention. The optical scanner 22 is an optical scanner having a degree of freedom of 1 that allows only a twist deformation mode, and two elastic deformation portions 3 are linearly arranged with the scanning portion 5 interposed therebetween. An end portion is integrated with the scanning portion 5, a substantially C-shaped vibration input portion 4 is provided between the other ends of both elastic deformation portions 3, and a central portion of the vibration input portion 4 looks like a piezoelectric element. Na excitation source 8
Is attached. The scan unit 5 has a small area so as to reduce the air resistance, and the weight 7 attached to the side edge obtains the moment of inertia. In addition,
Also in this optical scanner 22, the fitting portion 20 of the weight 7 is fitted in the guide groove 19 provided in the scanning portion 5 as in the embodiment of FIG.
You may make it position the weight 7 by fitting.
【００３８】[0038]
【発明の効果】本発明によれば、粘性流体抵抗が小さ
く、かつ、慣性モーメントの大きな光スキャナを製作す
ることができるので、走査角の上限値を大きくすること
ができる。According to the present invention, since an optical scanner having a small viscous fluid resistance and a large moment of inertia can be manufactured, the upper limit of the scanning angle can be increased.
【００３９】さらに、加振源からの小さな入力振動によ
ってを大きな走査角を得ることができるので、同じ値の
走査角を達成するのに加振源の駆動電圧が小さくて済
み、低電圧駆動を実現できる。Furthermore, since a large scanning angle can be obtained by a small input vibration from the vibration source, the driving voltage of the vibration source can be small to achieve the same scanning angle, and low voltage driving can be performed. realizable.
【００４０】また、重りの取り付け位置や質量を調整す
ることにより、弾性変形部における弾性変形モードの共
振周波数を調整することができ、振動子の設計自由度が
大きくなると共に各仕様向けの設計が容易になる。Further, the resonance frequency of the elastic deformation mode in the elastic deformation portion can be adjusted by adjusting the mounting position of the weight and the mass, and the degree of freedom in designing the vibrator is increased and the design for each specification can be made. It will be easier.
【００４１】さらに、慣性モーメントを付与するための
重りとして発光素子や受光素子、レンズ等の光学部品を
用いれば、光スキャナを多機能化できるうえ、部品の共
通化を図ることができる。そして、部品の共通化を図る
ことにより光スキャナを超小型にできると共に製作も容
易になり、コストも安価になる。Further, by using optical parts such as a light emitting element, a light receiving element and a lens as a weight for giving a moment of inertia, the optical scanner can be made multifunctional and the parts can be made common. Further, by making the parts common, the optical scanner can be made ultra-small, and the manufacturing becomes easy, and the cost becomes low.
【図１】本発明の一実施例による光スキャナを示す斜視
図である。FIG. 1 is a perspective view showing an optical scanner according to an embodiment of the present invention.
【図２】同上の実施例による光スキャナと従来の光スキ
ャナにおける、駆動源の振幅と走査角との関係を示す図
である。FIG. 2 is a diagram showing a relationship between an amplitude of a driving source and a scanning angle in the optical scanner according to the above-mentioned embodiment and the conventional optical scanner.
【図３】同上の実施例による光スキャナと比較例による
光スキャナと従来例の光スキャナにおける、空気抵抗と
走査角拡大率の関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a relationship between air resistance and a scanning angle enlargement ratio in the optical scanner according to the embodiment, the optical scanner according to the comparative example, and the optical scanner according to the related art.
【図４】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。FIG. 4 is a perspective view showing an optical scanner according to another embodiment of the present invention.
【図５】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。FIG. 5 is a perspective view showing an optical scanner according to another embodiment of the present invention.
【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。FIG. 6 is a perspective view showing an optical scanner according to another embodiment of the present invention.
【図７】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。FIG. 7 is a perspective view showing an optical scanner according to another embodiment of the present invention.
【図８】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。FIG. 8 is a perspective view showing an optical scanner according to still another embodiment of the present invention.
【図９】従来の光スキャナを示す斜視図である。FIG. 9 is a perspective view showing a conventional optical scanner.
【図１０】光スキャナが受ける空気抵抗を説明するため
の図である。FIG. 10 is a diagram for explaining air resistance received by the optical scanner.
【図１１】光スキャナの周囲の気圧と走査角（あるい
は、走査角拡大率）との関係を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the atmospheric pressure around the optical scanner and the scanning angle (or the scanning angle enlargement ratio).
【図１２】比較例による光スキャナを示す斜視図であ
る。FIG. 12 is a perspective view showing an optical scanner according to a comparative example.
２ 振動子 ３ 弾性変形部 ４ 振動入力部 ５ スキャン部 ７ 重り ８ 加振源 １４ 発光素子 １５ 受光素子 １７ レンズ 2 vibrator 3 elastic deformation part 4 vibration input part 5 scanning part 7 weight 8 vibration source 14 light emitting element 15 light receiving element 17 lens
Claims (2)
る弾性変形部と、 前記弾性変形部の一端に設けられ、印加された振動を前
記弾性変形部に伝える振動入力部と、 前記弾性変形部の他端に設けられ、前記弾性変形部の弾
性変形モードに応じて回動するスキャン部と、 前記振動入力部に振動を印加する加振源を備えた光スキ
ャナにおいて、 前記スキャン部を回転による粘性流体抵抗を受けにくい
形状とし、 スキャン部の粘性流体抵抗を増加させることなく、か
つ、スキャン部の慣性モーメントを増大させるための重
りをスキャン部に設けたことを特徴とする光スキャナ。1. An elastic deformation part having at least one elastic deformation mode, a vibration input part provided at one end of the elastic deformation part for transmitting applied vibration to the elastic deformation part, and another elastic deformation part. An optical scanner including a scan unit provided at an end, which rotates according to an elastic deformation mode of the elastic deformation unit, and a vibration source for applying vibration to the vibration input unit, wherein the viscous fluid generated by rotating the scanning unit is used. An optical scanner characterized in that it has a shape that is less susceptible to resistance, and that a weight for increasing the moment of inertia of the scanning section is provided in the scanning section without increasing the viscous fluid resistance of the scanning section.
ズ等の光学部品からなることを特徴とする請求項１に記
載の光スキャナ。2. The optical scanner according to claim 1, wherein the weight includes an optical component such as a light emitting element, a light receiving element, and a lens.
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|---|---|---|---|
| JP12821892A JP3191403B2 (en) | 1992-04-20 | 1992-04-20 | Optical scanner |
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| JPH05297307A true JPH05297307A (en) | 1993-11-12 |
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Family Applications (1)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN101950079A (en) * | 2010-05-26 | 2011-01-19 | 香港应用科技研究院有限公司 | Biaxial scanning mirror with tunable resonant frequency |
-
1992
- 1992-04-20 JP JP12821892A patent/JP3191403B2/en not_active Expired - Fee Related
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