JPH11183821A - 共振光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動数が高く振幅が大きくエネルギー損失の
少ない耐久性に優れた共振光学装置を提供する。 【解決手段】 炭素繊維強化樹脂製の筒状のねじり共振
ばねの先端に反射ミラーを取り付け、基端を基台に固定
する。共振ばねの基端に凹凸を有する結合部材を一体に
形成し、結合部材と相補的形状の凹部を基台に形成し
て、両者を嵌合させて、共振ばねの基端の周方向の動き
を止める。複数の結合部材を共振ばねの基端に一体に形
成してもよく、基台に結合部材を形成してもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ミラーにより光を
走査する光学装置に関し、より具体的には、ミラーを保
持する部材を共振させて高速で光走査を行う共振光学装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ミラーを回動させるガルバノ
メータによって光を走査することが行われている。ガル
バノメータは光を広範囲に走査し得るという特長を有す
る反面、モータ等により機械的に駆動されるため、駆動
機構を含めた全体構成が大きくなる上、駆動に大きなエ
ネルギーが必要になって、広い範囲を高速で走査するこ
とは困難であった。

【０００３】そこで、共振現象を利用してミラーを高速
で回動させる共振光学装置が提案されている。共振光学
装置の例を図１２に示す。この共振光学装置は、ロッド
状の鉄製の共振ばね５１と、共振ばね５１の先端に取り
付けられた反射ミラー５２と、共振ばね５１の基端を固
定する不動の基台５３と、共振ばね５１から水平に突出
する同材質の振動子５４ａ、５４ｂと、振動子５４ａ、
５４ｂの端部を上下方向から挟む永久磁石５５ａ、５５
ｂと、振動子５４ａ、５４ｂが貫通するコイル５６ａ、
５６ｂより成る。磁石５５ａ、５５ｂおよびコイル５６
ａ、５６ｂは基台５３に固定保持されている。

【０００４】鉄製の振動子５４ａ、５４ｂはコイル５６
ａ、５６ｂへの通電により磁化するが、コイル５６ａ、
５６ｂの巻き方向および通電方向は、振動子５４ａの端
部と振動子５４ｂの端部が互いに逆極性になるように設
定されている。また、磁石５５ａ、５５ｂは図示した極
性を有しており、磁化した振動子５４ａ、５４ｂは、互
いに上下逆方向の力を受けることになる。したがって、
コイル５６ａ、５６ｂに交流を通じることにより、振動
子５４ａ、５４ｂは、ロッド状の共振ばね５１をその軸
の回りにねじるように振動する。

【０００５】振動子５４ａ、５４ｂを振動させる交流の
周波数を共振ばね５１の固有振動数に略一致させること
により、共振ばね５１は振動子５４ａ、５４ｂの振動に
共振し、その先端に取り付けられたミラー５２も振動す
ることになる。共振ばね５１の基端は、基台５３によっ
て固定されているから、共振ばね５１の振動の振幅（振
動角）は先端で最大となり、ミラー５２もこれと同じ振
幅で振動する。ミラー５２の振動により、これに入射す
る光の反射方向は変化し、これにより光の走査が行われ
る。

【０００６】このような共振光学装置は、高速で光を走
査することが可能である上、小型軽量に構成することが
できるから、その用途は広い。例えば、光を網膜に導き
網膜上で光を走査することにより映像を提示する走査式
の頭部装着型表示装置（ＨＭＤ）が近年提案されている
いるが、光の高速走査が必須でしかも小型軽量であるこ
とが望まれるこのような表示装置の走査部として、きわ
めて適しているといえる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の共振
光学装置は、共振ばねが密度の高い金属製である上、基
端から先端まで稠密に形成されているため、共振ばねの
慣性モーメントが大きくなってその固有振動数をあまり
大きくすることができず、反射ミラーをあまり高速で振
動させることができない。共振ばねを基端から先端に向
かって次第に細くなる形状とすることで、固有振動数を
高める工夫がなされているが、稠密な金属で共振ばねを
形成する限り、ミラーの振動数を高めることには限界が
ある。共振ばねは、基端の全面を利用して、接着剤やネ
ジを用いて基台に固定されている。

【０００８】共振ばねの固有振動数を高める方法とし
て、軽量な材料を用いることのほか、中空にして筒状に
することが考えられる。しかしながら、筒状にすると基
端の面積が小さくなって、接着強度が低下したりネジ止
めが困難になったりする。共振ばねの周面にネジ孔を開
けると、その部位の強度が大幅に低下して、装置の耐久
性が損なわれる。

【０００９】共振ばねと基台との結合が不完全になる
と、固定されているはずの共振ばねの基端も振動してし
まい、それだけ先端の変位が減少してミラーの振幅が小
さくなる。また、振動のエネルギーが失われることにな
り、エネルギーの利用効率が低下する。しかも、結合の
不完全さが不規則な振動の発生原因となり、周期が一定
で振幅も一定であるという共振振動の特長が著しく害さ
れる恐れがある。

【００１０】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたもので、振動数が高く振幅が大きくエネルギー損失
の少ない耐久性に優れた共振光学装置を提供することを
目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、強化繊維を周方向に巻いて成る筒状の
共振ばねと、共振ばねの先端に連結された反射ミラー
と、共振ばねに周方向の振動を与える駆動部と、不動の
基台とを備え、共振ばねの基端を基台に固定し、共振ば
ねを駆動部からの振動に共振させてねじり振動させるこ
とにより反射ミラーを振動させて、反射ミラーに入射す
る光を走査する共振光学装置において、共振ばねの基端
を、基台に対する周方向の動きを妨げる形状の回転止め
部を有する結合部材によって、基台に固定する。

【００１２】結合部材を用いることで、筒状の共振ばね
の強度を低下させることなく、共振ばねの基端を基台に
固定することができる。結合部材の回転止め部を、共振
ばねの軸に対して垂直な断面が円形以外の形状、例え
ば、多角形、楕円形、凹凸を有する形状とすれば、共振
ばねの基端の周方向の動きは止められる。基端の周方向
の動きが止められることにより、共振ばねのねじり振動
の振幅は基端で零、先端で最大となって、反射ミラーが
大きく振動することになる。

【００１３】結合部材を基台と一体に形成し、共振ばね
に結合部材の回転止め部と相補的な形状の部位を設ける
とよい。結合部材を基台と一体に形成することにより、
両者間にはがたつきや緩みが生じない。また、回転止め
部と相補的な形状、すなわち回転止め部と組合わさって
空間を隙間なく充たす形状の部位を共振ばねの基端近傍
に設けることにより、結合部材と共振バネの基端との間
にもがたつきや緩みが生じない。したがって、共振ばね
の基端は基台に確実に固定される。

【００１４】逆に、結合部材を共振ばねと一体に形成
し、基台に結合部材の回転止め部と相補的な形状の部位
を設けてもよい。同様に、共振ばねの基端は基台に確実
に固定されることになる。

【００１５】上記目的を達成するために、本発明ではま
た、強化繊維を周方向に巻いて成る筒状の共振ばねと、
共振ばねの先端に連結された反射ミラーと、共振ばねに
周方向の振動を与える駆動部と、不動の基台とを備え、
共振ばねの基端を基台に固定し、共振ばねを駆動部から
の振動に共振させてねじり振動させることにより反射ミ
ラーを振動させて、反射ミラーに入射する光を走査する
共振光学装置において、共振ばねの基端に基台と係合し
て周方向の動きを妨げる複数の結合部材を設けて、これ
らの結合部材によって共振ばねの基端を基台に固定す
る。

【００１６】共振ばねの基端は２ヶ所以上で基台と係合
することになり、周方向の動きは生じない。個々の結合
部材の形状は任意であり、例えば、共振ばねの軸に対し
て垂直な断面が円形であってもよい。

【００１７】いずれの共振光学装置においても、強化繊
維として炭素繊維を使用し、共振ばねを炭素繊維強化樹
脂で形成するとよい。この樹脂材料は軽量かつ高剛性と
いう共振に適する特性を備えており、しかも高強度で耐
久性にも優れている。また、結合部材を共振ばねと一体
に形成するのも容易である。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の共振光学装置につ
いて図面を参照して説明する。図１に第１の実施形態の
共振光学装置１の外観を示す。共振光学装置１は、ロッ
ド状の共振ばね１１、共振ばね１１の先端に保持された
反射ミラー１２、共振ばね１１の基端を固定する基台１
３、共振ばね１１に水平方向に取り付けられた細い棒状
の振動子１４ａ、１４ｂ、振動子１４ａ、１４ｂの端部
を上下方向から挟む永久磁石１５ａ、１５ｂ、および振
動子１４ａ、１４ｂが貫通するコイル１６ａ、１６ｂよ
り成る。

【００１９】磁石１５ａ、１５ｂおよびコイル１６ａ、
１６ｂは基台１３に固定保持されており、振動子１４
ａ、１４ｂと離間している。振動子１４ａ、１４ｂは鉄
等の磁性体材料から成り、共振ばね１１に孔をあけて強
度低下を招くことを避けるために、リング１４ｃによっ
て共振ばね１１の外周に固定されている。共振光学装置
１の動作原理は、図１２の従来の装置と同じであり、重
複する説明は省略する。

【００２０】共振ばね１１は、軽量かつ高剛性という共
振に適する特性を有し、しかも高強度で耐久性に優れた
炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）で形成されいる。共振ば
ね１１の材料としては、このような性質を有するもので
あれば他の材料を用いてもよい。例えば、ガラス繊維強
化樹脂（ＧＦＲＰ）も使用可能である。

【００２１】共振ばね１１の中心軸を含む平面での装置
１の断面を図２に示す。共振ばね１１は基端から先端ま
で中空に形成されており、円筒形の形状を有している。
共振ばね１１の基端には結合部材１７が一体に形成され
ており、基台１３には結合部材１７を収容する凹部１８
が形成されている。ミラー１２は共振ばね１１の先端部
の内周面に嵌合するように取り付けられている。

【００２２】共振ばね１１を基台１３に固定する前の両
者の斜視図を図３に示す。結合部材１７および凹部１８
は、共振ばね１１の軸に対して垂直な方向の断面が凹凸
を有する相補的な形状である。結合部材１７を凹部１８
に挿入することにより両者は嵌合し、共振ばね１１の基
端の周方向の動きは完全に止められる。炭素繊維２０
は、共振ばね１１の中心軸の回りに何重にも巻き付けら
れており、共振ばね１１は振動方向にきわめて高い強度
を有する。

【００２３】結合部材１７と共振ばね１１を一体に形成
するための構成を図４に示す。結合部材１７は円柱状の
突起１７ａを有しており、これに同径の分離可能な仮心
材２１が連結される。共振ばね１１は、結合部材１７の
突起１７ａと仮心材２１に炭素繊維２０を巻き付けつ
つ、軟化している樹脂を加えて形成する。結合部材１７
と仮心材２１の連結の様子を図５に示す。図５におい
て、（ａ）はネジ係合によって両者を連結した例を表し
ており、（ｂ）は楔係合によって連結した例を表してい
る。樹脂を硬化させた後、仮心材２１を結合部材１７か
ら分離し、図６に示すように、先端から引き抜くことに
よって共振ばね１１を中空にする。引き抜くことに代え
て、仮心材２１を溶かして除去するようにしてもよい。

【００２４】本実施形態では、単一の結合部材１７によ
って共振ばね１１を基台１３に固定するが、結合部材１
７および基台１３の凹部１８の断面が円形ではないた
め、両者間に滑りが生じることがなく、結合部材１７の
基端の周方向の動きを確実に防止することが可能になっ
ている。結合部材１７の形状は、ここに示したものに限
られず、円柱形以外の他の形状としてもよい。例えば、
四角柱や六角柱等の多角柱、あるいは長径と短径の比の
大きい楕円柱とすることができる。基台１３には、結合
部材の形状と相補的な形状の凹部を形成しておき、両者
を嵌合させて共振ばね１１を固定する。

【００２５】第２の実施形態について説明する。本実施
形態の共振ばね１１の構造を図７に示す。本実施形態
は、複数の結合部材１９を共振ばね１１に設けた点で第
１の実施形態と異なる。全体構成は装置１と同じである
ので、重複する説明は省略する。

【００２６】結合部材１９は円柱状であり、共振ばね１
１の基端面から突出するように、共振ばね１１の基端部
に一体に形成されている。図示しないが、基台１３には
結合部材１９と略同径の複数の孔が、結合部材１９に対
応する位置に形成されており、結合部材１９をこれらの
孔と嵌合させることにより、共振ばね１１の基端を基台
１３に固定する。

【００２７】結合部材１９と一体化しつつ共振ばね１１
を形成する過程を、図８に示す。まず、仮心材２２に炭
素繊維２０を巻き付けておく（ａ、ｂ）。その端部に結
合部材１９を配し（ｃ）、結合部材１９の上から炭素繊
維２０を何重にも巻き付けつつ樹脂を加える（ｄ）。そ
して、樹脂硬化後、仮心材２２を除去することにより共
振ばね１１を中空にする（ｅ）。

【００２８】結合部材１９を複数設けたことにより、個
々の結合部材１９の断面が円形であっても、共振ばね１
１の基端の周方向の動きを確実に止めることができる。
なお、結合部材１９の形状は円柱に限られるものではな
く、任意に設定してよい。共振ばね１１との一体形成を
容易にするために、共振ばね１１に含まれる部分と基端
から突出する部分とで異なる形状とすることも可能であ
る。

【００２９】第３の実施形態の共振光学装置２の外観を
図９に示す。本実施形態は、共振ばね１１を四角柱状の
仮心材を用いて形成し、中空の四角柱状としたものであ
る。共振ばね１１は、第１の実施形態の結合部材１７ま
たは第２の実施形態の結合部材１９によって、基台１３
に固定されている。共振ばね１１の基端部は内周面も四
角形であるから、基台１３に四角柱状の突起を一体に形
成し、これを結合部材として共振ばね１１の基端部に挿
入して、内周面と嵌合させるようにしてもよい。なお、
小さな反射ミラー１２を取り付けた例を図示している
が、より大きな反射ミラーを取り付けるようにしても構
わない。

【００３０】第４の実施形態の共振光学装置３の外観を
図１０に示す。本実施形態は、１つの反射ミラー１２
を、２つの共振ばね１１で両側から保持するものであ
る。それぞれの共振ばね１１に振動子１４ａ、１４ｂが
設けられ、駆動用の磁石１５ａ、１５ｂおよびコイル１
６ａ、１６ｂも各々に対して備えられている。共振ばね
１１の基台１３への固定方法は、第１または第２の実施
形態で説明したとおりである。単一の共振ばね１１を用
いる場合に比べて、ばね定数が略２倍になり、略１．４
（平方根２）倍の振動数で反射ミラー１２を振動させる
ことができる。

【００３１】上記の各実施形態では、共振ばね１１を基
端から先端まで均一な太さとしたが、重量や慣性モーメ
ントをより小さくして固有振動数を高めるために、基端
から先端に向かって細くなる筒状としてもよい。その場
合、第１の実施形態の結合部材１７を用いると仮心材を
共振ばね１１の先端から引き抜くことはできなくなる
が、仮心材を溶かすことで除去することができる。第２
の実施形態のように結合部材１９を共振ばね１１の内周
面に設けない構成や、第３の実施形態で説明したように
結合部材を基台と一体に形成する構成では、仮心材を共
振ばね１１の基端から引き抜くことができる。

【００３２】本発明の共振光学装置を、走査式のＨＭＤ
に適用した例を図１１に示す。図１１において、（ａ）
はＨＭＤ５の概略構成を示す側面図であり、（ｂ）はそ
の一部を示す平面図である。ＨＭＤ５は、レーザ３１、
集光レンズ３２、主走査部３３、副走査部３４、ハーフ
ミラー３５、凹面ミラー３６および不図示の制御部より
成る。

【００３３】レーザ３１は可視領域のレーザ光を発し、
主走査部３３はそのレーザ光を観察者の眼Ｅに対して水
平方向に走査する。副走査部３４は主走査部３３によっ
て走査されるレーザ光をさらに観察者の眼Ｅに対して垂
直方向に走査する。ハーフミラー３５は、副走査部３４
からのレーザ光を凹面ミラー３６に向けて反射し、凹面
ミラー３６による反射光を透過させて観察者の眼Ｅに導
く。集光レンズ３２は、上記光路を進むレーザ３１から
のレーザ光を、観察者の眼Ｅの網膜に点状光として結像
させる。

【００３４】制御部が、映像信号に基づいてレーザ３１
の発する光を変調させ、主走査部３３と副走査部３４に
よる走査と変調を同期させることにより、観察者の眼Ｅ
の網膜に２次元の映像が形成される。これにより、観察
者には前方に映像Ｖが表示されているように観察され
る。

【００３５】主走査部３３は、精細度が高くフリッカの
ない高品位の映像を提供するためには、数十ｋＨｚ程度
以上の周波数で走査する必要があり、広画角の映像を提
供するためには、１０゜程度以上の走査角を有すること
が望ましい。第１ないし第３の実施形態の共振光学装置
１、２はこれらの要求を満足するものであり、ＨＭＤ５
では主走査部３３としてこれらの装置を採用している。
走査周波数をより高くする場合には、第４の実施形態の
共振光学装置３を用いることができる。

【００３６】副走査部３４は、主走査部３３と同程度の
走査角を有することが望まれるが、その走査周波数は、
主走査部３３の数百分の１程度でよい。この条件は図１
２に示した従来の共振光学装置でも満たし得るが、ここ
では共振光学装置１、２を使用している。これらの装置
１、２は従来の装置に比べて軽量であり、人の身体に装
着する装置としてより好ましいからである。

【００３７】ＨＭＤ５は様々な映像分野で利用すること
ができるが、高速で広範囲の走査を行い得るから、特
に、バーチャルリアリティやフライトシミュレーション
のように、現実感の高い動画を提供するのに有用であ
る。

【００３８】

【発明の効果】請求項１の共振光学装置によるときは、
共振ばねが中空であるため共振の振動数が高くなる上、
共振ばねの強度を低下させることなく基台に固定するこ
とが可能である。共振ばねの基端の周方向の動きは基台
よって確実に止められるから、反射ミラーを最大の振幅
で振動させることができる。しかも、共振ばねと基台間
にがたつきや緩みがないから、共振ばねのねじり振動の
周期がきわめて安定し、光走査の周期および範囲が常時
一定になる。また、振動エネルギーが共振ばねと基台の
間で失われることがなく、エネルギーの利用効率がよ
い。

【００３９】請求項２や請求項３の共振光学装置では、
共振ばねが基台に強固に固定されるから、上記効果を確
実に得ることができる。しかも、共振ばねを基台に容易
に結合することができて、組み立ても簡単である。

【００４０】請求項４の共振光学装置によるときも、請
求項１の装置と同様の効果が得られる。しかも、結合部
材は任意の形状でよいから、その形成も容易である。

【００４１】請求項５の共振光学装置では、共振ばねの
材料の特性が生かされて、高い振動数で反射ミラーを振
動させることができる。したがって、光の走査を高速で
行うことが可能である。しかも、共振ミラーの強度が高
く、耐久性に優れた装置となる。結合部材と共振ミラー
の一体化も容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の実施形態の共振光学装置の外観を示す
斜視図。

【図２】 上記共振光学装置の共振ばねの中心軸を含む
平面での断面図。

【図３】 上記共振光学装置の固定前の共振ばねと基台
を示す斜視図。

【図４】 上記共振光学装置における結合部材と共振ば
ねを一体に形成するための構成を示す図。

【図５】 上記共振光学装置における結合部材と仮心材
の連結の様子を示す断面図。

【図６】 上記共振光学装置における仮心材の除去方法
を示す図。

【図７】 第２の実施形態の共振ばねの構造を模式的に
示す図。

【図８】 第２の実施形態の共振ばねを結合部材と一体
化しつつ形成する過程を模式的に示す図。

【図９】 第３の実施形態の共振光学装置の外観を示す
斜視図。

【図１０】 第４の実施形態の共振光学装置の外観を示
す斜視図。

【図１１】 本発明の共振光学装置を備えた走査式のＨ
ＭＤの概略構成を示す図。

【図１２】 従来の共振光学装置の外観を示す斜視図。

【符号の説明】

１、２、３ 共振光学装置 １１ 共振ばね １２ 反射ミラー １３ 基台 １４ａ、１４ｂ 振動子 （駆動部） １５ａ、１５ｂ 永久磁石 （駆動部） １６ａ、１６ｂ コイル （駆動部） １７ 結合部材 １８ 基台凹部 １９ 結合部材 ２０ 炭素繊維 ２１、２２ 仮心材 ５ ＨＭＤ ３１ レーザ ３２ 集光レンズ ３３ 主走査部 ３４ 副走査部 ３５ ハーフミラー ３６ 凹面ミラー

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強化繊維を周方向に巻いて成る筒状の共
   振ばねと、前記共振ばねの先端に連結された反射ミラー
   と、前記共振ばねに周方向の振動を与える駆動部と、不
   動の基台とを備え、前記共振ばねの基端を前記基台に固
   定し、前記共振ばねを前記駆動部からの振動に共振させ
   てねじり振動させることにより前記反射ミラーを振動さ
   せて、前記反射ミラーに入射する光を走査する共振光学
   装置において、 前記共振ばねの基端を、前記基台に対する周方向の動き
   を妨げる形状の回転止め部を有する結合部材によって、
   前記基台に固定したことを特徴とする共振光学装置。
2. 【請求項２】 前記結合部材は前記基台と一体に形成さ
   れ、前記共振ばねは前記結合部材の回転止め部と相補的
   な形状の部位を有することを特徴とする請求項１に記載
   の共振光学装置。
3. 【請求項３】 前記結合部材は前記共振ばねと一体に形
   成され、前記基台は前記結合部材の回転止め部と相補的
   な形状の部位を有することを特徴とする請求項１に記載
   の共振光学装置。
4. 【請求項４】 強化繊維を周方向に巻いて成る筒状の共
   振ばねと、前記共振ばねの先端に連結された反射ミラー
   と、前記共振ばねに周方向の振動を与える駆動部と、不
   動の基台とを備え、前記共振ばねの基端を前記基台に固
   定し、前記共振ばねを前記駆動部からの振動に共振させ
   てねじり振動させることにより前記反射ミラーを振動さ
   せて、前記反射ミラーに入射する光を走査する共振光学
   装置において、 前記共振ばねの基端に前記基台と係合して周方向の動き
   を妨げる複数の結合部材を設けて、これらの結合部材に
   よって前記共振ばねの基端を前記基台に固定したことを
   特徴とする共振光学装置。
5. 【請求項５】 前記強化繊維は炭素繊維であり、前記共
   振バネは炭素繊維強化樹脂で形成されていることを特徴
   とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の
   共振光学装置。