JPH09218373A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 トーションバネと磁石とからなる振動系の共
振を利用して、小さな電力で大振幅の光走査を行うよう
にした光走査装置では、温度変化によって共振周波数が
変化しやすく、また、寸法精度や取付け位置のずれによ
っても共振周波数は変化し、必要な光走査幅を得られな
くなるという問題点があった。 【解決手段】 磁石３を支持し、その振動の支点となる
ためのトーションバネ５を弾性係数が温度によって変化
する材料で構成し、前記トーションバネ５の温度制御を
可能とすることにより、トーションバネ５と磁石３とか
らなる振動系の共振周波数を一定に保つようにした。従
って、常に小電力で大振幅の光走査を行うことができ
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、レーザプリンタ、
バーコードリーダ、レーザスキャンマイクロメータ等の
事務機器、計測機に使用される光走査装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、ミラー付き小磁石と交流磁場を発
生させるためのコイルを備えた光走査装置として、本願
出願人は特願平７ー２９６７８８号に記載された装置を
出願中である。

【０００３】これは、図５に示すように、磁界発生手段
により形成される磁界の作用により磁石を振動させ、そ
の磁石と共に固定された鏡面を振動させて、光源より発
せられる光ビームを前記鏡面に入射させることにより、
前記鏡面の振動に基づいて前記光ビームを走査させる光
走査装置であって、前記光走査装置のハウジングに対し
て前記磁石を支持すると共に、前記磁石の振動の支点と
なるためのトーションバネを有し、そのトーションバネ
は形状記憶合金からなるものである。磁界発生手段によ
り磁界が発生すると、この磁界は、形状記憶合金に支持
された磁石に前記トーションバネを中心としたトルクを
与えるが、一方、形状記憶合金からなるトーションバネ
より復元力を受けるので、周期的な磁界が加えられるこ
とにより前記磁石（鏡面）を振動させることができる。
特に、該トーションバネ及び磁石からなる振動系の機械
的固有振動数と発生する磁界の周波数とが一致した場合
には共振が起こり、振幅を最大にさせる。そして、磁石
の表面には鏡面が固定されているので、鏡面に入射され
た光ビームは反射されて、振動の軸であるトーションバ
ネと直交する方向に光ビームが走査される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記の装置は、トーシ
ョンバネと磁石とからなる振動系の共振を利用して、小
さな電力で大振幅の光走査を行うようにした画期的な発
明である。しかしながら、トーションバネを構成する形
状記憶合金は、図６に示すように、温度変化によって弾
性係数が大きく変化する性質があり、共振周波数を一定
に保つのは困難であった。また、前記トーションバネの
外形寸法のわずかな誤差や取付け位置のずれによっても
共振周波数は変化していた。ほとんど減衰の作用しない
このような振動系では、加振周波数が共振周波数からわ
ずかにずれただけで振幅は大きく減少する。従って、共
振周波数がずれると、必要な光走査幅を得られなくなる
という問題点があった。

【０００５】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、簡単な構成でトーションバネと
磁石とからなる振動系の共振周波数を一定に保つことが
でき、従って、小さな電力で大振幅の光走査を行うこと
ができる光走査装置を提供することを目的とするもので
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、請求項１記載の光走査装置は、磁界発生手段により
形成される磁界の作用により磁石を振動させ、その磁石
と共に固定された鏡面を振動させて、光源より発せられ
る光ビームを前記鏡面に入射させることにより、前記鏡
面の振動に基づいて前記光ビームを走査させる光走査装
置であって、前記光走査装置のハウジングに対して前記
磁石を支持すると共に、前記磁石の振動の支点となるた
めのトーションバネと、そのトーションバネの温度を変
化させる温度変化手段と、前記温度変化手段を制御する
温度制御手段とを有し、前記トーションバネを弾性係数
が温度によって変化する材料で構成した。

【０００７】従来の光走査装置では、トーションバネの
弾性係数が温度による変化をできるだけ受けないような
設定にしていたが、本発明の光走査装置では逆に、トー
ションバネの弾性係数の温度変化を積極的に利用して、
トーションバネの外形寸法の誤差や取付け位置のずれに
よる共振周波数のずれを修正するものである。共振周波
数は、弾性係数の１／２乗に比例するので、トーション
バネの温度を変化させることにより容易に共振周波数を
変化させることができる。そして、温度制御手段によっ
てトーションバネの温度を最適値に保持することによ
り、常に共振周波数を加振周波数に一致させることがで
きる。

【０００８】また、請求項２記載の光走査装置は、前記
トーションバネを、Ｎｉ−Ｔｉ系、Ｃｕ−Ｚｎ系、Ａｇ
−Ｃｄ系、Ａｕ−Ｃｄ系、Ｃｕ−Ｓｎ系、Ｃｕ−Ａｌ−
Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｐｔ系のいずれかの形状記憶合金で構成
した。これらの合金は形状記憶合金として広く知られた
材料であり、図６に示すような特殊な弾性係数の温度特
性を持っておりながら、比較的入手が容易である。

【０００９】また、請求項３記載の光走査装置は、前記
トーションバネの温度を変化させる温度変化手段とし
て、トーションバネに電流を流す通電手段を備え、前記
ハウジング全体、あるいは、トーションバネを支持する
部分を絶縁体で構成した。トーションバネに通電するこ
とにより、トーションバネ自身を発熱体として作用させ
るので、簡単な構成でトーションバネの温度制御を実現
できる。

【００１０】また、請求項４記載の光走査装置は、前記
温度制御手段を、前記トーションバネの温度を検出する
温度センサと、前記温度センサからの信号によって前記
温度変化手段を駆動する駆動手段とで構成した。この構
成では、組立て時に、トーションバネの温度の規定値を
共振周波数が加振周波数と一致するような温度に設定す
る。前記温度センサで検出した温度と設定温度のずれが
最小となるように、温度変化手段によってトーションバ
ネの温度を変化させる。これによって、寸法精度や取付
け位置のずれによる共振周波数の変化の影響をなくし、
周囲温度の影響をもなくすことができる。

【００１１】また、請求項５記載の光走査装置は、前記
温度制御手段を、前記鏡面の回転角あるいは回転角速度
を検出するセンサと、前記センサからの信号によって前
記温度変化手段を駆動する駆動手段とで構成した。すな
わち、鏡面の回転角あるいは回転角速度を検出すること
により共振周波数のずれを検知し、温度変化手段によっ
てトーションバネの温度を変化させる。この構成では、
回転角あるいは回転角速度を検出することにより間接的
に共振周波数を検知するので、組立て時に初期設定を行
う必要がなく、また、温度を検出する場合に比べて高速
で高精度な制御が実現できる。

【００１２】また、請求項６記載の光走査装置は、前記
鏡面の回転角あるいは回転角速度を検出するセンサとし
てホール素子を備えた。振動する磁石の発生する磁界の
変化を検出することにより、共振周波数の規定値からの
ずれがわかる。そして、そのずれをうち消すように、制
御手段によってトーションバネの温度が制御され、共振
周波数が一定に保たれる。

【００１３】また、請求項７記載の光走査装置は、前記
鏡面の回転角あるいは回転角速度を検出するセンサとし
て、前記光ビームを検出する光センサを備えた。適当な
位置に配置した光センサからの信号によって走査光の走
査速度が検出され、その変化より共振周波数の変化が推
定される。そして、請求項６記載の光走査装置と同様な
効果がより安価に得られる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の光走査装置を具体
化した実施の形態について図面を参照して説明する。

【００１５】図１は、第１の実施の形態の構造を示すも
のである。小磁石３は、縦が３ｍｍ、横が６ｍｍで厚さ
０．３ｍｍのＮｉ−Ｃｏ（ニッケルコバルト）またはＳ
ｍ−Ｃｏ（サマリュウムコバルト）からなる小磁石であ
り、その表面３ａは後述するレーザビームを反射させる
ために鏡面加工されている。なお、小磁石３の表面を鏡
面加工する代わりに、小磁石３の表面に鏡を接着等によ
り貼り付けてもよい。この小磁石３は約１００００ガウ
スの残留磁束密度を有している。小磁石３における鏡面
３ａの裏面には、Ｎｉ−Ｔｉ合金からなるトーションバ
ネが取り付けられている。このトーションバネ５の線径
は約１４０μｍであり、長さは約１０ｍｍである。この
トーションバネ５はその上下端をアルミ合金からなる治
具２にて、絶縁体であるＰＯＭ（ポリアセタール）から
なる固定治具１２にネジ止めされている。その固定治具
１２は、中央を矩形にくり抜かれた矩形状のハウジング
１に同様にネジ止めされている。また、前記治具２の取
付けネジには、同時に端子１４が取付けられており、後
述するドライバ１８とコントローラ２０に接続されてい
る。

【００１６】ハウジング１に対してトーションバネ５及
び小磁石３を支持する際の方法について説明する。ま
ず、トーションバネ５は所定の張力で引っ張られた状態
にて固定治具１２によりネジ止めでハウジング１に固定
される。そして、このように固定されたトーションバネ
５に上述した小磁石３がトーションバネ５のほぼ中央付
近に接着剤にて固定される。

【００１７】また、ハウジング１の後面にはコイル７が
設けられている。このコイル７は円筒状のコア６の周囲
に３００ターン／ｃｍの密度の巻き線を設けたものであ
り、コア６に形成されたネジ穴８及びハウジング１に形
成された穴４を介してハウジング１にネジ止めされてい
る。このコイル７の巻き線の両端にはパルス電流発生器
９が接続されており、３Ｖで１００ｍＡ程度の電流をコ
イル７に流すことができる。コイル７及びパルス電流発
生器９により磁界発生手段が構成される。つまり、この
コイルに上記電流を流すことにより、３００［ターン／
ｃｍ］×１００［ｍＡ］＝３０００［Ａ／ｍ］の交番磁
界を与えることができる。そして、パルス電流発生器９
により所定の矩形波電流をコイル７に印加することによ
り後述するメカニズムにて磁石３が共振し、図示しない
光源から発せられて磁石３の鏡面３ａに入射したレーザ
ビーム１０が所定の走査角にて走査される。

【００１８】そのレーザービーム１０の走査光は、適当
な位置に設けられた光センサ１６ａ、１６ｂによって検
知され、その検出信号は図２に示すコントローラ２０へ
と伝達される。コントローラ２０は、光センサ１６ａが
信号を検出してから光センサ１６ｂが検出するまでの時
間をデジタルでカウントするカウンタ２２と、その値を
規定値と比較して、レーザビームの走査速度の変化を検
知する比較器２４と、その速度変化をアナログ信号に変
換して出力するＤ／Ａ変換器２６とで構成されている。
Ｄ／Ａ変換器２６からのアナログ信号出力は通電手段で
あるドライバ１８へと伝達され、トーションバネ５への
通電を制御する。即ち、規定値との差分に比例する電流
がトーションバネ５に通電されるのである。前記光セン
サ１６ａ、１６ｂ、ドライバ１８及びコントローラ２０
で本発明の温度制御手段を構成している。

【００１９】前述のように、トーションバネを構成する
形状記憶合金の弾性係数は、図６に示すような温度特性
を持っている。従来の光走査装置では弾性係数が温度に
よって変化しにくい部分（Ａ部）を利用していた。本発
明では逆に、弾性係数が急激に変化するＢ部や、温度変
化が適当な傾きを持ったＣ部となるように設定されてい
る。従って、トーションバネ５への通電によって、トー
ションバネ自身がわずかに温度上昇しただけで、その弾
性係数は急激に大きくなり、それに伴って共振周波数も
大きくなる。また、通電を止めるとトーションバネ５の
温度が下がり始め、わずかに温度が下がるだけで弾性係
数が大きく減少し、共振周波数も小さくなる。

【００２０】このようにしてトーションバネ５と小磁石
３とからなる振動系の共振周波数を一定に保つことがで
き、従って、小さな電力で大振幅の光走査を行うことが
できる。つまり一定に保たれた共振周波数と前記交番磁
界の周波数（加振周波数）とが一致するため、常に一定
の大きな走査振幅を小電力で得ることができる。

【００２１】次に、本発明を具体化した光走査装置の第
２の実施の形態を図３を用いて説明する。なお、第１の
実施の形態と同様の部分については、同一の名称及び符
号を引用し、その説明を省略する。

【００２２】本実施形態では、トーションバネ５は固定
治具を介することなく、その上端は発熱体３２で、下端
はペルチェ素子３４で、ハウジング１に直接固定されて
いる。この発熱体３２とペルチェ素子３４とで温度変化
手段を構成している。また、小磁石３の回転角速度の検
出には、光センサの代わりにホール素子３０が、ハウジ
ング１の小磁石３近傍に取付けられている。このホール
素子３０と図示しない制御回路（駆動手段）とで温度制
御手段を構成している。

【００２３】共振周波数の制御は以下のようにして行わ
れる。前記ホール素子３０によって小磁石３の振動によ
る磁束密度の変化が検出され、その一周期あたりの変化
量（最大値と最小値との差）が求められる。その変化量
が大きいほど走査振幅が大きい、即ち、共振状態である
ことを意味する。その変化量の最大値を規定値として、
その規定値と検出された変化量との差に比例した信号
が、発熱体３２あるいはペルチェ素子３４に加えられ
る。発熱体３２とペルチェ素子３４のどちらに通電され
るかは、その直前の制御で検出された変化量が規定値に
近づいたか否かで決められる。

【００２４】第１の実施の形態では通電して加熱し、冷
却は自然冷却するしかなかったが、本実施形態では加熱
も冷却も可能なので、より高速な温度制御が可能とな
る。また、ホール素子を用いて回転角を検出しているの
で、よりコンパクトな構成とすることができる。

【００２５】次に、本発明を具体化した光走査装置の第
３の実施の形態を図４を用いて説明する。なお、第１あ
るいは第２の実施の形態と同様の部分については、同一
の名称及び符号を引用し、その説明を省略する。

【００２６】本実施形態では、トーションバネ５は、そ
の両端を治具２でハウジング１に直接固定されている。
その上端には発熱体３２とペルチェ素子３４が取付けら
れ、下端には温度センサであるサーミスタ３６が取付け
られている。

【００２７】共振周波数の制御は以下のようにして行わ
れる。まず組立て時に、トーションバネ５の温度の規定
値を共振周波数が加振周波数と一致するような温度に設
定する。この規定温度の設定は、トーションバネ５の外
形寸法の誤差や取付け位置のずれを含んだものなので、
一度設定した後は、温度さえ規定値に合わせれば常に共
振状態に保持できる。したがって、前記サーミスタ３６
で検出された温度が規定の温度に近づくように前記発熱
体３２もしくはペルチェ素子３４に通電することによ
り、トーションバネ５と小磁石３とからなる振動系の共
振周波数を一定に保つことができる。

【００２８】本実施形態では、温度を制御するために温
度センサ（サーミスタ３６）を用いて温度を検出してい
るので、回転角や回転角速度を検出する場合に比べて制
御回路が簡単になるという長所がある。また、安価なサ
ーミスタを用いて他の実施形態と同様の効果を得ること
ができるので、装置のコストダウンにもなる。

【００２９】上記の実施の形態は、光走査装置を実現し
た一例であり当業者は本発明の趣旨を逸脱しない限り、
様々な変形を行うことができる。

【００３０】例えば、第１の実施の形態ではトーション
バネ５の固定治具１２を絶縁体であるＰＯＭで構成する
ことにより、トーションバネ５をハウジング１から絶縁
し、通電を可能としたが、ハウジング１全体をＰＯＭ、
セラミック等の絶縁体で構成してもよい。

【００３１】また、電流制御の方法として、光センサ１
６ａと１６ｂの検出時間の差を規定値に近づけるように
制御する方法について述べたが、光センサアレイを用い
て直接振幅を測定し、その測定値がもっとも大きくなる
ようにしてもよい。また、要求される振幅の最小値とな
る位置に光センサを配置し、その光センサにビームが到
達しなくなるくらい振幅が減少したら、振幅を大きくす
るように通電するという方法も可能である。この場合に
は光センサは１つでよい。

【００３２】また、第２の実施の形態では、トーション
バネ５の一端に発熱体３２、他端にペルチェ素子３４を
用いる構成としたが、両端に発熱体とペルチェ素子を両
方具備すればより高速な制御が可能となる。

【００３３】また、第３の実施の形態では、温度センサ
としてサーミスタ３６を用いたが、熱電対等の他の温度
センサを用いてもかまわない。熱電対を使用すれば、よ
りコンパクトな構成が可能となる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したことから明かなように、請
求項１記載の光走査装置は、磁石を支持し、その振動の
支点となるためのトーションバネを、弾性係数が温度に
よって変化する材料で構成し、前記トーションバネの温
度制御を可能としたので、トーションバネと磁石とから
なる振動系の共振周波数を一定に保つことができ、従っ
て、常に小電力で大振幅の光走査を行うことができる。

【００３５】また、請求項２記載の光走査装置によれ
ば、Ｎｉ−Ｔｉ系等の比較的入手が容易な材料で、請求
項１記載の光走査装置と同様な効果を得ることができ
る。

【００３６】また、請求項３記載の光走査装置によれ
ば、ハウジング全体、あるいは、トーションバネを支持
する部分を絶縁体で構成し、トーションバネに通電する
ことにより、トーションバネ自身を発熱体として作用さ
せるので、簡単な構成でトーションバネの温度制御を実
現できる。

【００３７】また、請求項４記載の光走査装置によれ
ば、温度センサによってトーションバネの温度を検出
し、組立て時に設定した規定温度を保持するようにした
ので、寸法精度や取付け位置のずれによる共振周波数の
変化の影響をなくし、周囲温度の影響をもなくすことが
できる。

【００３８】また、請求項５記載の光走査装置によれ
ば、鏡面の回転角あるいは回転角速度を検出することに
より共振周波数のずれを検知し、温度変化手段によって
トーションバネの温度を変化させるようにしたので、組
立て時に初期設定を行う必要がなく、また、温度を検出
する場合に比べて高速で高精度な制御が実現できる。

【００３９】また、請求項６記載の光走査装置によれ
ば、鏡面の回転角あるいは回転角速度を検出するセンサ
としてホール素子を備えたので、コンパクトな構成で共
振周波数の規定値からのずれを検出できる。

【００４０】また、請求項７記載の光走査装置によれ
ば、鏡面の回転角あるいは回転角速度を検出するセンサ
として、前記光ビームを検出する光センサを備えたの
で、安価な構成で、請求項６記載の光走査装置と同様な
効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の光走査装置の主要な構成を
示す斜視図である。

【図２】第１の実施の形態の光走査装置のトーションバ
ネへの通電を制御する制御部分を説明するブロック図で
ある。

【図３】第２の実施の形態の光走査装置の主要な構成を
示す斜視図である。

【図４】第３の実施の形態の光走査装置の主要な構成を
示す斜視図である。

【図５】従来の光走査装置の構成を示す斜視図である。

【図６】形状記憶合金の弾性係数の温度特性を表す図で
ある。

【符号の説明】

１ ハウジング ３ 小磁石 ５ トーションバネ ７ コイル ９ パルス電流発生器 １０ レーザビーム １２ 固定治具 １４ 端子 １６ 光センサ １８ ドライバ ２０ コントローラ ３０ ホール素子 ３２ 発熱体 ３４ ペルチェ素子 ３６ サーミスタ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁界発生手段により形成される磁界の作
   用により磁石を振動させ、その磁石と共に固定された鏡
   面を振動させて、光源より発せられる光ビームを前記鏡
   面に入射させることにより、前記鏡面の振動に基づいて
   前記光ビームを走査させる光走査装置において、 前記光走査装置のハウジングに対して前記磁石を支持す
   ると共に、前記磁石の振動の支点となるためのトーショ
   ンバネと、そのトーションバネの温度を変化させる温度
   変化手段と、前記温度変化手段を制御する温度制御手段
   とを有し、 前記トーションバネを弾性係数が温度によって変化する
   材料で構成したことを特徴とする光走査装置。
2. 【請求項２】 前記トーションバネを、Ｎｉ−Ｔｉ系、
   Ｃｕ−Ｚｎ系、Ａｇ−Ｃｄ系、Ａｕ−Ｃｄ系、Ｃｕ−Ｓ
   ｎ系、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ｐｔ系のいずれかの
   形状記憶合金で構成したことを特徴とする請求項１記載
   の光走査装置。
3. 【請求項３】 前記トーションバネの温度を変化させる
   温度変化手段として、トーションバネに電流を流す通電
   手段を備え、 前記ハウジング全体、あるいは、トーションバネを支持
   する部分を絶縁体で構成したことを特徴とする請求項１
   あるいは２記載の光走査装置。
4. 【請求項４】 前記温度制御手段は、前記トーションバ
   ネの温度を検出する温度センサと、前記センサからの信
   号によって前記温度変化手段を駆動する駆動手段からな
   ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の
   光走査装置。
5. 【請求項５】 前記温度制御手段は、前記鏡面の回転角
   あるいは回転角速度を検出するセンサと、前記センサか
   らの信号によって前記温度変化手段を駆動する駆動手段
   からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに
   記載の光走査装置。
6. 【請求項６】 前記鏡面の回転角あるいは回転角速度を
   検出するセンサとして、ホール素子を備えたことを特徴
   とする請求項５記載の光走査装置。
7. 【請求項７】 前記鏡面の回転角あるいは回転角速度を
   検出するセンサとして、前記光ビームを検出する光セン
   サを備えたことを特徴とする請求項５記載の光走査装
   置。