JPH09185000A - ミラーディバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ミラーディバイスの小型化、高速化、長寿命
化および省電力化を可能にする。 【解決手段】 ミラーディバイスは、ミラー１１と、固
定部１２と、固定部１２の一端部に連結され、ミラー１
１を保持すると共にミラー１１に対して所定の運動を与
える可動部１３と、固定部１２の他端部に設けられた加
振部１４とを備えている。可動部１３は、コの字形の振
動要素２１と、一端が振動要素２１の内側の中央部に接
続され、他端にミラー１１が接続された振動要素２２と
を有する。可動部１３は、加振部１４によって励振され
て共振し、振動要素２１，２２の振動モードの連成によ
って、Ｉ−Ｉ軸回りの回転運動と、II−II軸回りの回転
運動と、ミラー面１１ａの法線方向への並進運動とをミ
ラー１１に与えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ミラーに対して所
定の運動をさせるためのミラーディバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】ミラーディバイスは、ミラーに対して所
定の運動をさせるものであり、例えば、レーザビームプ
リンタやイメージスキャナ等におけるスキャニングユニ
ットや、走査型ディスプレイ等において、画像の形成や
画像の検出のためのスキャンに用いられている。従来の
ミラーディバイスは、回転ミラーのように、主に１軸ス
キャン型で、回転系を用いるものが多かった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
回転系のミラーディバイスでは、高速スキャンを行う場
合には、摺動部の磨耗等のために寿命に問題があり、ま
た、小型化にも不向きであるという問題点があった。

【０００４】また、非回転系のミラーディバイスについ
も、共振現象を利用していない場合には、ミラー動作の
反転のために常時、エネルギの供給やスイッチングが必
要であり、また、エネルギ効率が悪く、省電力化が困難
であるという問題点があった。

【０００５】また、従来、例えば図５に示すような共振
を利用したミラーディバイスもあった。このミラーディ
バイスは、ミラー１０１と、加振部１０２と、ミラー１
０１と加振部１０２とを連結する振動梁１０３とを備え
ている。このミラーディバイスでは、加振部１０２によ
って、振動梁１０３およびミラー１０１からなる可動部
１０４に対してねじり振動を与えて、ミラー１０１を回
動させるようになっている。

【０００６】しかしながら、従来の共振を利用したミラ
ーディバイスでは、ミラー駆動部分の出力軸が１自由度
系で構成されていたため、ミラーの変位に対して可動部
が大きくなって、ミラーディバイスの小型化が困難であ
るという問題点や、ミラー不動点の調整が困難であると
いう問題点があった。

【０００７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その課題は、小型化、高速化、長寿命化および省
電力化が可能なミラーディバイスを提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載のミラーデ
ィバイスは、ミラーと、それぞれ固有の１以上の振動モ
ードで振動可能な複数の振動要素を有し、所定の２以上
の振動要素の振動モードの連成による連成振動によっ
て、ミラーに対して所定の運動を与える可動部とを備え
たものである。

【０００９】請求項２記載のミラーディバイスは、請求
項１記載のミラーディバイスにおいて、可動部が共振に
よって連成振動を行うように可動部を励振する加振部を
更に備えたものである。

【００１０】請求項１記載のミラーディバイスでは、可
動部が、所定の２以上の振動要素の振動モードの連成に
よる連成振動を行うことによって、ミラーが所定の運動
を行う。

【００１１】請求項２記載のミラーディバイスでは、可
動部が共振によって連成振動を行うように加振部によっ
て可動部が励振され、可動部が連成振動を行うことによ
って、ミラーが所定の運動を行う。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００１３】図１は、本発明の一実施の形態に係るミラ
ーディバイスの構成を示す平面図である。このミラーデ
ィバイスは、薄板状のミラー１１と、ミラーディバイス
を応用ディバイスに固定するための薄板状の固定部１２
と、この固定部１２の一端部に連結され、ミラー１１を
保持すると共にミラー１１に対して所定の運動を与える
可動部１３と、固定部１２の他端部に設けられた加振部
１４とを備えている。可動部１３は、コの字形の薄板状
部材からなる振動要素２１と、一端が振動要素２１の内
側の中央部に接続され、他端にミラー１１が接続された
長方形形状の薄板状部材からなる振動要素２２とを有す
る多自由度構成になっている。振動要素２１の両端部は
固定部１２の一端部に接続され、固定部１２と振動要素
２１によって囲まれた空間内にミラー１１が配置されて
いる。なお、静止状態において、ミラー１１、固定部１
２および可動部１３の法線方向は一致している。加振部
１４は、例えば圧電セラミックを積層して構成された圧
電振動子を有している。

【００１４】振動要素２１，２２は、それぞれ固有の１
以上の振動モードで振動可能になっており、可動部１３
は、振動要素２１，２２の振動モードの連成による連成
振動によって、ミラー１１に対して所定の運動を与える
ことができるようになっている。この可動部１３の連成
振動によるミラー１１の運動には、Ｉ−Ｉ軸回りの回転
運動（以下、Ａモード運動と言う。）と、II−II軸回り
の回転運動（以下、Ｂモード運動と言う。）と、ミラー
面１１ａの法線方向への並進運動（以下、Ｃモード運動
と言う。）とがある。

【００１５】図２は、図１に示したミラーディバイスと
近似的に等価な振動モデルを表したものである。この振
動モデルは、加振部３１と、この加振部３１にばね３２
を介して接続されたマス（質量）３３と、このマス３３
にばね３４を介して接続されたマス３５とで構成されて
いる。ここで、加振部３１が図１における加振部１４お
よび固定部１２に対応し、ばね３２およびマス３３が図
１における振動要素２１に対応し、ばね３４およびマス
３５が図１における振動要素２２に対応する。この振動
モデルでは、マス３３が加振部３１によって励振されて
振動変位を生じると、この変位によりマス３５が励振さ
れて振動変位を生じる。同様に、図１に示したミラーデ
ィバイスでは、固定部１２を介して、振動要素２１が加
振部１４によって励振されて振動変位を生じると、この
変位により振動要素２２が励振されて振動変位を生じ
る。

【００１６】ここで、図３を用いて、図１に示したミラ
ーディバイスの各モード運動について詳しく説明する。
なお、図３では、ミラー１１、固定部１２および可動部
１３を簡略化して一体的に表している。図３（ａ）はＡ
モード運動を示している。このＡモード運動は、振動要
素２１のねじり振動と振動要素２２のねじり振動が同位
相で連成したために生じるモード運動であり、振動要素
２１，２２は共にＩ−Ｉ軸を中心にねじり運動を行う。
このＡモード運動では、振動要素２１，２２のそれぞれ
のねじれ振動の出力端が互いにミラー１１を挟んで反対
側になるため、ミラー面１１ａの方向が不安定になる運
動を打ち消し合うことができ、これによりミラー面１１
ａの方向が安定した運動が可能となる。

【００１７】図３（ｂ）はＢモード運動を示している。
このＢモード運動は、振動要素２１の曲げ振動と振動要
素２２の曲げ振動が逆位相で連成したために生じるモー
ド運動である。このＢモード運動では、ミラー面１１ａ
の角度変位を強調でき、且つＢモード運動の中心軸をミ
ラー面１１ａ内に設定することができる。なお、パラメ
ータの選択により、Ｂモード運動の中心軸をミラー１１
の中央に設定することもできる。

【００１８】図３（ｃ）はＣモード運動を示している。
このＣモード運動は、振動要素２１の曲げ振動と振動要
素２２の曲げ振動が同位相で連成したために生じるモー
ド運動である。このＣモード運動では、振動要素２１，
２２の各変位によって生じるミラー面１１ａの法線ベク
トルの変化を打ち消すことができ、ミラー面１１ａの法
線ベクトルを一定にしたままでミラー１１を運動させる
こと、すなわち、ミラー１１のミラー面１１ａの法線方
向への並進運動が可能となる。

【００１９】次に、本実施の形態に係るミラーディバイ
スの動作について説明する。図３（ａ）〜（ｃ）に示し
た各モード運動は、それぞれ、互いに異なる固有振動数
を有している。従って、各モード運動の固有振動数に相
当する周波数の駆動信号によって加振部１４を駆動する
と、固定部１２を介して可動部１３が励振され、可動部
１３は共振現象により各モード運動を行う。また、必要
な２以上のモード運動の各固有振動数に相当する２以上
の周波数成分を含む合成信号からなる駆動信号によって
加振部１４を駆動することによって、必要な２以上のモ
ード運動を合成させることができる。なお、各モード運
動の固有振動数は、振動要素２１，２２の形状や質量や
弾性係数等によって調整可能である。

【００２０】本実施の形態に係るミラーディバイスは、
例えば、レーザビームプリンタやイメージスキャナ等に
おけるスキャニングユニットや、走査型ディスプレイ等
において、画像の形成や画像の検出のためのスキャンに
用いられる。図４は、本実施の形態に係るミラーディバ
イスの一応用例として、レーザスキャニングユニットの
構成を示したものである。このレーザスキャニングユニ
ットは、レーザ光を出射する半導体レーザ５１と、この
半導体レーザ５１を駆動するレーザドライバ５２と、半
導体レーザ５１から出射されたレーザ光を平行光とする
コリメータレンズ系５３と、このコリメータレンズ系５
３を通過したレーザ光を反射し、走査するスキャニング
ミラーユニット５４と、このスキャニングミラーユニッ
ト５４を駆動するミラードライバ５５と、スキャニング
ミラーユニット５４で反射されたレーザ光の焦点距離を
偏向角に応じて変えるｆθレンズ系５６とを備えてい
る。このレーザスキャニングユニットでは、スキャニン
グミラーユニット５４に、本実施の形態に係るミラーデ
ィバイスが利用される。

【００２１】このレーザスキャニングユニットでは、ミ
ラードライバ５５は、スキャニングミラーユニット５４
に対して、所定の１以上のモード運動を行うように駆動
信号と各モード運動のゲイン調整信号を送ると共に、走
査の位相情報をレーザドライバ５２に送る。また、スキ
ャニングミラーユニット５４内に、ミラーの変位の大き
さを検出するためのセンサを設け、このセンサの出力に
基づいて、ミラードライバ５５がミラーの変位の大きさ
を調整するようにしても良い。レーザドライバ５２は、
所定の情報に基づいて半導体レーザ５１を駆動すると共
に、例えばミラードライバ５５からの位相情報に基づい
て半導体レーザ５１の発光の調整を行う。半導体レーザ
５１から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ系５
３によって平行光にされ、スキャニングミラーユニット
５４によって反射、走査され、ｆθレンズ系５６を経て
写像面５７に照射される。

【００２２】本実施の形態に係るミラーディバイスで
は、例えば、Ａモード運動とＢモード運動はそれぞれ直
交する軸回りに変位を持つので、一方でｘ軸方向、他方
でｙ方向にレーザ光を走査することができ、これによ
り、図４に示したような２次元的な走査が可能となる。
なお、ｘ軸方向とｙ方向の各走査の周波数の調整は、各
モード運動の固有振動数を調整することで可能である。

【００２３】以上説明したように、本実施の形態に係る
ミラーディバイスによれば、振動要素２１，２２の主に
同タイプの振動モードの連成による可動部１３の連成振
動によって、ミラー１１に対して所定の運動をさせるよ
うにしたので、例えばＢモード運動のように所望の出力
（変位）を強調することが可能であると共に、例えばＡ
モード運動やＣモード運動のように不要な出力（変位）
を打ち消すことができる。従って、ミラーディバイスを
小型化することができると共に、ミラーの運動の中心軸
の設定や調整が容易になる。また、ミラーディバイスの
小型化により、応用ディバイスの小型化も可能となる。

【００２４】また、本実施の形態に係るミラーディバイ
スでは、摺動部がないので、高速化、長寿命化が可能と
なる。更に、共振を利用してミラーを駆動するので、エ
ネルギ効率が良く、省電力化が可能となる。また、構成
部品および機構が簡単であるため、製造コストの低減が
可能となる。更に、本実施の形態に係るミラーディバイ
スは、その構造から、例えば１チップ上に図４に示した
ような応用ディバイスの各構成要素と等価なディバイス
や経路を構成するようなマイクロ化にも適している。

【００２５】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
ず、例えば、各振動要素の構造は、必要とするミラーの
運動に応じて適宜に定めることができる。また、振動要
素の数は３つ以上でも良い。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明のミラーディ
バイスによれば、可動部が所定の２以上の振動要素の振
動モードの連成による連成振動を行うことによってミラ
ーに対して所定の運動を与えるようにしたので、所望の
変位を強調することが可能であり、ミラーディバイスの
小型化が可能となるという効果を奏する。また、摺動部
がないので、ミラーディバイスの高速化および長寿命化
が可能となるという効果を奏する。また、可動部を共振
させることでミラーに所定の運動をさせることができる
ので、省電力化が可能となるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係るミラーディバイス
の構成を示す平面図である。

【図２】図１に示したミラーディバイスと近似的に等価
な振動モデルを表す説明図である。

【図３】図１に示したミラーディバイスの各モード運動
を示す説明図である。

【図４】図１に示したミラーディバイスの一応用例とし
てのレーザスキャニングユニットの構成を示す説明図で
ある。

【図５】共振を利用した従来のミラーディバイスの構成
を示す説明図である。

【符号の説明】

１１ ミラー １１ａ ミラー面 １２ 固定部 １３ 可動部 １４ 加振部 ２１，２２ 振動要素

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ミラーと、 それぞれ固有の１以上の振動モードで振動可能な複数の
   振動要素を有し、所定の２以上の振動要素の振動モード
   の連成による連成振動によって、前記ミラーに対して所
   定の運動を与える可動部とを備えたことを特徴とするミ
   ラーディバイス。
2. 【請求項２】 前記可動部が共振によって前記連成振動
   を行うように前記可動部を励振する加振部を更に備えた
   ことを特徴とする請求項１記載のミラーディバイス。