JPH11183822A - 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】 ねじり振動に共振するロッドと、ロッド
の基端を固定するベースと、ロッドの先端に保持された
ミラーを有する共振光学装置において、炭素繊維強化樹
脂を用いてミラーとベースの一方または両方をロッドと
一体成形して、ミラーやベースとロッドを結合するため
の部材を不要とする。振動する部位が軽量になって振動
数が高まり、緩みや劣化がなくなって振幅の低下や振動
エネルギーの損失が防止される。

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１３に示す。この共振光学装置は、ロッド
状の鉄製の共振部５１と、共振部５１の先端に取り付け
られたミラー部５２と、共振部５１の基端を固定するベ
ース部５３と、共振部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、５５ｂと、振動子
５４ａ、５４ｂが貫通するコイル５６ａ、５６ｂと、基
台５７より成る。ベース部５３、磁石５５ａ、５５ｂお
よびコイル５６ａ、５６ｂは基台５７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、ロッド状の共振部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
周波数を共振部５１の固有振動数に略一致させることに
より、共振部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部５２も振動する
ことになる。共振部５１の基端は、ベース部５３によっ
て固定されているから、共振部５１の振動の振幅（振動
角）は先端で最大となり、ミラー部５２もこれと同じ振
幅で振動する。ミラー部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、共振部、ミラー部、ベース部をそれぞれ別
部材として形成し、これらを接着剤、ネジ等の結合部材
を用いて結合して組み立てられている。このため、高速
の振動により共振部とミラー部やベース部との結合部位
が劣化し易くなり、装置の耐久性が損なわれている。

【０００８】共振部とミラー部の結合が緩めば、ミラー
部の動きが共振部の共振振動と一致しなくなり、光の走
査を正しく行うことができなくなる。共振部とベース部
の結合が緩めば、固定されているはずの共振部の基端も
振動してしまい、それだけ先端の変位が減少してミラー
部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、いずれの緩みも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を
著しく害することになる。

【０００９】さらに、共振部とミラー部間に結合部材が
存在することにより、振動する部位の重量が増してロッ
ドの固有振動数が低下し、それだけ振動を高速で行うこ
とができなくなる。この不都合は、共振部とミラー部の
結合部位の劣化を防止するために、結合部材を大きくし
たりその数を増したりするほど、重大になってくる。

【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、与えられる振動に共振するロッド状の
共振部と、共振部の基端を保持しその基端を固定するベ
ース部と、共振部の先端に保持されその先端と共に振動
するミラー部と、共振部またはミラー部に共振部の軸回
り方向の振動を与える振動部と、振動部に振動の駆動力
を与える駆動部から成る共振光学装置において、ミラー
部とベース部の一方または両方を共振部と一体成形す
る。

【００１２】振動部は駆動部からの駆動力によって、直
接またはミラー部を介して、ロッド状の共振部に軸回り
の振動を与える。共振部は基端をベースに固定されてお
り、振動部からの振動に共振してねじり振動し、先端に
保持しているミラー部を振動させる。このミラー部の振
動により光を走査することができる。

【００１３】ミラー部と共振部を一体成形することによ
り、ミラー部は共振部の先端と確実に同じ動きをするこ
とになり、共振部と同周期かつその先端と同振幅で振動
する。また、ミラー部と共振部を結合するための他の部
材が必要でないから、振動する部位が軽量になって、慣
性モーメントが小さくなり固有振動数が大きくなる。し
たがって、共振振動の振動数すなわちミラー部の振動数
が多くなる。

【００１４】ベース部と共振部を一体成形することによ
り、共振部の基端の動きはベース部によって確実に止め
られる。このため、共振部の先端の変位に損失が生じる
ことがなく、その振幅が大きくなる。また、ベース部と
共振部を結合するための他の部材が不必要であり、その
部材によって振動エネルギーが吸収されることがない。
したがって、エネルギーが共振に効率よく利用され、小
さなエネルギーでミラー部を大きく振動させることがで
きる。

【００１５】共振部の材料として繊維強化樹脂を用いる
とよい。この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、加熱による変形も可能であり、ミラー部やベ
ース部との一体成形も容易である。共振部をねじりばね
とすることによって、さらに高速な共振ミラー部が得ら
れる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
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
の共振部１１、共振部１１の先端に保持されたミラー部
１２、共振部１１の基端を固定するベース部１３、共振
部１１に水平方向に取り付けられた細い棒状の振動部１
４ａ、１４ｂ、振動部１４ａ、１４ｂの端部を上下方向
から挟む永久磁石１５ａ、１５ｂ、振動部１４ａ、１４
ｂが貫通するコイル１６ａ、１６ｂ、および基台１７よ
り成る。

【００１７】ベース部１３は基台１７に嵌合して強固に
固定されており、磁石１５ａ、１５ｂおよびコイル１６
ａ、１６ｂも基台１７に固定保持されている。振動部１
４ａ、１４ｂは鉄等の磁性体材料からなり、リング１４
ｃによって共振部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１３の従来の装置と同じであ
り、重複する説明は省略する。

【００１８】共振部１１は、軽量かつ高剛性という共振
に適する特性を有するほか、高強度で耐久性に優れ、熱
可塑性で成形が容易であるという性質を兼ね備えた炭素
繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）で形成している。共振部１１
の材料としては、共振特性に優れ、耐久性と易加工性を
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）や鉄等の金属も使
用可能である。

【００１９】ロッド状の共振部１１の中心軸を含みミラ
ー部１２に垂直な平面での、ベース部１３、共振部１１
およびミラー部１２の断面を図２に示す。本実施形態で
は、ミラー部１２にもＣＦＲＰを使用して、共振部１１
と一体成形している。ベース部１３は共振部１１および
ミラー部１２とは別部材として形成されており、接着剤
によって共振部１１の基端に固着されている。

【００２０】共振部１１とミラー部１２の製造工程の概
略を図８に示す。まず、（ａ）振動方向となる方向に炭
素繊維１８を巻きつつ溶融状態の樹脂を加えて、共振部
１１であるロッドとミラー部１２の原形を形成する。次
いで、（ｂ）ミラー部１２の原形部位を加熱して軟化さ
せ、これをプレス成形して平坦な形状とする。そして、
（ｃ）平坦にした部位の表面に樹脂を厚く塗着して平滑
にし、その上に反射剤１９をコートしてミラー部１２を
完成する。

【００２１】プレス成形後に厚膜を塗着して平滑にする
ことに代えて、既に鏡面仕上げした複合材をプレス機と
ミラー部１２の原形部位の間に介挿し、プレス成形でそ
の複合材を原形部位に圧着して、成形と同時に平坦な部
位を平滑にするようにしてもよい。この方法では、工程
数が少なくなる上、平面性を保つのが容易であり、ミラ
ー部１２の硬度も高くなる。

【００２２】本実施形態のようにミラー部１２を共振部
１１と一体成形すると、両者を結合するための部材が不
要となり、振動する部位が軽量になる。これにより、慣
性モーメントが小さくなってミラーを高い振動数で振動
させることができる。また、ミラー部１２は、常に共振
部１１の先端と同じ動きをすることになり、共振部１１
の最大振幅で振動する。共振部１１とミラー部１２の間
が劣化する恐れもなく、装置の耐久性も向上する。

【００２３】以下、いくつかの実施形態を示すが、特に
断らない限り装置全体の構成や共振部の材料は上記の共
振光学装置１と同様であり、同一部位には同じ符号を付
して、相違点についてのみ説明する。

【００２４】第２の実施形態のベース部１３、共振部１
１およびミラー部１２の断面を図３に示す。本実施形態
においても、ミラー部１２は共振部１１と一体成形され
ているが、共振部１１は中空とされている。また、ベー
ス部１３も外形部のみとされている。このように、共振
部１１を中空にすることにより、振動する部位の重量が
減少して慣性モーメントが小さくなり、ミラー部１２を
より高い振動数で振動させることができる。なお、中空
な共振部１１は、心材に炭素繊維を巻き付けた後、心材
を引き抜くことによって形成する。

【００２５】第３の実施形態のベース部１３、共振部１
１およびミラー部１２の断面を図４に示す。本実施形態
では、ベース部１３をＣＦＲＰで形成し、共振部１１と
一体成形している。ミラー部１２は共振部１１およびベ
ース部１３とは別部材として形成されており、接着剤に
よって共振部１１の先端に固着されている。

【００２６】共振部１１およびベース部１３の形状と炭
素繊維の巻き付けの様子を図９に示す。炭素繊維１８
は、共振部１１の振動方向と軸に沿う方向の両方に設け
られており、共振部１１側から次第に広がるようにして
ベース部１３が形成されている。この構造により、共振
部１１の周方向の振動をベース部１３で確実に止めるこ
とができる上、共振部１１をベース部１３から分離させ
る方向の力に対しても高い強度が備わる。すなわち、共
振部１１とベース部１３は実質的に完全に一体化してい
ることになる。

【００２７】このように、ベース部１３を共振部１１と
一体成形すると、共振部１１の基端が確実に固定され、
共振部１１の先端の変位が小さくなることがない。した
がって、ミラー部１２は共振部１１の最大振幅で振動す
る。また、振動エネルギーが共振部１１とベース部１３
の間で失われることがなく、エネルギーの振動への利用
効率が高まる。共振部１１とベース部１３の間が劣化す
る恐れもなく、装置の耐久性も向上する。

【００２８】なお、ベース部１３は、共振部１１方向か
ら見て楕円形の形状とされている。これは、炭素繊維の
巻き付けを容易にしつつ、ベース部１３の嵌合相手であ
る基台１７との間に振動方向のずれが生じることを確実
に防止するためである。この目的を達成できれば、ベー
ス部１３を他の形状、例えば周囲に突起のある円形とし
てもよい。

【００２９】第４の実施形態のベース部１３、共振部１
１およびミラー部１２の断面を図５に示す。本実施形態
においても、ベース部１３は共振部１１と一体成形され
ているが、共振部１１は中空とされている。前述したよ
うに、共振部１１を中空にすることにより、振動する部
位の重量が減少して、ミラー部１２をより高い振動数で
振動させることができる。

【００３０】第５の実施形態のベース部１３、共振部１
１およびミラー部１２の断面を図６に示す。本実施形態
では、ミラー部１２およびベース部１３の両方を共振部
１１と一体成形している。この構造では、ミラー部１２
を共振部１１と一体成形する利点と、ベース部１３を共
振部１１と一体成形する利点の双方が得られるだけでな
く、不規則な振動の原因となる密度や剛性の異なる異物
や緩みが皆無になるから、共振の振動数や振幅がきわめ
て安定する。したがって、本共振光学装置によって光を
走査するときに、常に一定の周期で一定の範囲を走査す
ることができる。

【００３１】第６の実施形態のベース部１３、共振部１
１およびミラー部１２の断面を図７に示す。本実施形態
においても、第５の実施形態と同様にミラー部１２、ベ
ース部および共振部１１は一体成形されているが、共振
部１１は中空とされ、ベース部１３も外形部のみとされ
ている。共振部１１を中空としたことにより、より高い
振動数でミラー部１２を振動させることが可能になって
いる。

【００３２】第７の実施形態の共振部１１とミラー部１
２の構造を図１０に示す。本実施形態では、ミラー部１
２を共振部１１と一体成形しているが、ミラー部１２を
厚みのある四角柱状としている。四角柱から円柱に変化
する心材に、四角柱側から炭素繊維を巻き付けていって
ミラー部１２と共振部１１を形成し、心材を四角柱側か
ら引き抜いて共振部１１とミラー部１２とをともに中空
にする。その後、プレス成形することなく、ミラー部１
２の表面に厚膜を塗着して平滑にし、その上に反射剤１
９をコートして、この構造を得る。このようにすると、
第２の実施形態と同様の利点があるが、プレス成形を省
略することで製造工程がより簡略になる。

【００３３】第８の実施形態のベース部１３、共振部１
１およびミラー部１２の断面を図１１に示す。本実施形
態では、共振部１１、ミラー部１２およびベース１３を
全て一体成形するとともに、共振部１１とミラー部１２
を中空にしている。ミラー部１２の幅は共振部１１の直
径よりも小さく設定されており、心材はベース部１３側
から引き抜く。ミラー部１２を中空にするために、プレ
ス成形は行わない。ミラー部１２から共振部１１への炭
素繊維の巻き付けを容易にするために、（ａ）に示すよ
うに、共振部１１の先端部を先細りの形状とする。ま
た、（ｂ）に示すように、共振部１１の全体をベース部
１３側からミラー部１２側に向かって次第に細くなる形
状としてもよい。

【００３４】共振部１１を図１１（ｂ）のような形状と
すると、ベース部１３側からミラー部１２側まで一様な
太さの形状とする場合よりも、重量が減少するとともに
慣性モーメントが小さくなって、固有振動数が増加し、
ミラー部１２の振動数を高めることができる。共振部１
１をミラー部１２に向かって次第に細く形成すること
は、前述の全ての実施形態に適用可能である。

【００３５】第９の実施形態の共振光学装置２の外観を
図１２に示す。共振光学装置２は、１つのミラー部２
２、２つの共振部２１ａ、２１ｂ、２つのベース部２３
ａ、２３ｂ、２つの永久磁石２５ａ、２５ｂ、２つのコ
イル２６ａ、２６ｂおよび基台２７より成る。ミラー部
２２と共振部２１ａ、２１ｂはＣＦＲＰで一体成形され
ており、２つの共振部２１ａ、２１ｂは同一の共振特性
を有し一直線上にある。磁石２５ａ、２５ｂは基台２７
の一部を成し、それらの極性は図示したように上下方向
かつ同じ向きに設定されている。

【００３６】ミラー部２２の下面から磁石２５ａ、２５
ｂまでの各部の表面には、酸化鉄等の磁性体が連続して
塗着されており、磁石２５ａ、２５ｂの磁力はミラー部
２２の下面にまで伝わる。コイル２６ａ、２６ｂは、ミ
ラー部２２の下方に、共振部２１ａ、２１ｂの軸に対し
て垂直な方向に並べて配置されている。コイル２６ａ、
２６ｂの巻き方向および通電方向は、磁界が上下方向か
つ互いに逆向きに生じるように設定されており、ミラー
部２２には、一方の側部を押し上げ他方の側部を引き下
げる力が働く。したがって、コイル２６ａ、２６ｂに交
流を通じることにより、ミラー部２２は共振部２１ａ、
２１ｂを軸回りにねじるように振動する。すなわち、共
振光学装置２では、ミラー部２２が振動部を兼ねてい
る。

【００３７】ここでは、ベース部２３ａ、２３ｂを別部
材とし接着剤により共振部２１ａ、２１ｂに固着してい
るが、ベース部２３ａ、２３ｂ、共振部２１ａ、２１
ｂ、およびミラー部２２の全てを一体成形してもよい。
なお、共振部２１ａ、２１ｂが前述の各実施形態の共振
部１１と同じ大きさ同じ形状の場合、本装置のばね定数
は略２倍になって、ミラー部２２の振動数は略１．４
（平方根２）倍になる。

【００３８】

【発明の効果】請求項１の共振光学装置によるときは、
ミラー部と共振部を結合するための部材を必要としない
から、振動する部位が軽量になり、共振振動の固有振動
数が大きくなる。このため、ミラー部を高速で振動させ
ることが可能になり、光を高速で走査することができ
る。また、長期の高速振動により劣化する可能性のある
結合部材がミラー部と共振部間に存在しないため、耐久
性の高い共振光学装置となる。

【００３９】請求項２の共振光学装置によるときは、共
振部の基端の動きをベース部によって確実に止ることが
できるから、共振部の先端の振幅が小さくなることがな
く、ミラー部を最大振幅で振動させることができる。し
かも、振動エネルギーを吸収したり、高速で共振する共
振部を長期間固定することにより劣化したりする可能性
のある結合部材が共振部とベース部の間に存在しないた
め、エネルギーの利用効率および耐久性に優れた共振光
学装置となる。

【００４０】請求項３の共振光学装置は、上記の特長を
併せもつのみならず、全体が一体であり不規則な振動の
原因となる異物や緩みがないため、ミラー部の振動数と
振幅がきわめて安定した装置となる。

【００４１】請求項４の共振光学装置では、共振部を樹
脂とすることによって、ミラー部やベース部との一体成
形が容易になり、繊維で強化した樹脂とすることによっ
て、共振部の弾性率と許容応力が大きくなり、より高速
かつ大振幅でミラー部を振動することが可能になる。

【００４２】請求項５の共振光学装置では、共振部をね
じり振動させることによって、共振部のばね定数が大き
くなり、より高速でミラー部を振動することが可能にな
る。

【００４３】請求項６の共振光学装置では、強化繊維を
炭素繊維とすることによって、ガラス繊維など他の繊維
より強くて弾性があるので、さらに共振部の弾性率と許
容応力が大きくなり、より高速かつ大振幅でミラー部を
振動することが可能になる。

【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】 第１の実施形態のベース部、共振部およびミ
ラー部の断面図。

【図３】 第２の実施形態のベース部、共振部およびミ
ラー部の断面図。

【図４】 第３の実施形態のベース部、共振部およびミ
ラー部の断面図。

【図５】 第４の実施形態のベース部、共振部およびミ
ラー部の断面図。

【図６】 第５の実施形態のベース部、共振部およびミ
ラー部の断面図。

【図７】 第６の実施形態のベース部、共振部およびミ
ラー部の断面図。

【図８】 共振部とミラー部を一体成形する製造工程の
概略を示す図。

【図９】 一体成形された共振部とベース部の構造を示
す図。

【図１０】 第７の実施形態の共振部とミラー部の構造
を示す図。

【図１１】 第８の実施形態のベース部、共振部および
ミラー部の断面図。

【図１２】 第９の実施形態の共振光学装置の外観を示
す斜視図。

【図１３】 従来の共振光学装置の外観を示す斜視図。

【符号の説明】

１ 共振光学装置 １１ 共振部 １２ ミラー部 １３ ベース部 １４ａ、１４ｂ 振動部 １４ｃ 固定リング １５ａ、１５ｂ 永久磁石 （駆動部） １６ａ、１６ｂ コイル （駆動部） １７ 基台 １８ 炭素繊維 １９ 反射剤 ２ 共振光学装置 ２１ａ、２１ｂ 共振部 ２２ ミラー部 ２３ａ、２３ｂ ベース部 ２５ａ、２５ｂ 永久磁石 （駆動部） ２６ａ、２６ｂ コイル （駆動部） ２７ 基台

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 谷尻 靖 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内 (72)発明者 石川 隆敏 大阪市中央区安土町二丁目３番13号 大阪 国際ビル ミノルタ株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 与えられる振動に共振するロッド状の共
   振部と、前記共振部の基端を保持し該基端を固定するベ
   ース部と、前記共振部の先端に保持され該先端と共に振
   動するミラー部と、前記共振部または前記ミラー部に前
   記共振部の軸回り方向の振動を与える振動部と、前記振
   動部に振動の駆動力を与える駆動部から成る共振光学装
   置において、 前記ミラー部は前記共振部と一体成形されていることを
   特徴とする共振光学装置。
2. 【請求項２】 与えられる振動に共振するロッド状の共
   振部と、前記共振部の基端を保持し該基端を固定するベ
   ース部と、前記共振部の先端に保持され該先端と共に振
   動するミラー部と、前記共振部または前記ミラー部に前
   記共振部の軸回り方向の振動を与える振動部と、前記振
   動部に振動の駆動力を与える駆動部から成る共振光学装
   置において、 前記ベース部は前記共振部と一体成形されていることを
   特徴とする共振光学装置。
3. 【請求項３】 与えられる振動に共振するロッド状の共
   振部と、前記共振部の基端を保持し該基端を固定するベ
   ース部と、前記共振部の先端に保持され該先端と共に振
   動するミラー部と、前記共振部または前記ミラー部に前
   記共振部の軸回り方向の振動を与える振動部と、前記振
   動部に振動の駆動力を与える駆動部から成る共振光学装
   置において、 前記ミラー部および前記ベース部は前記共振部と一体成
   形されていることを特徴とする共振光学装置。
4. 【請求項４】 前記共振部は繊維強化樹脂から成ること
   を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に
   記載の共振光学装置。
5. 【請求項５】 前記共振部はねじり共振し、ロッドの周
   方向に繊維で強化された繊維強化樹脂から成ることを特
   徴とする請求項４に記載の共振光学装置。
6. 【請求項６】 前記繊維強化樹脂は炭素繊維強化樹脂で
   あることを特徴とする請求項５に記載の共振光学装置。