JPH11183823A

JPH11183823A - 共振光学装置

Info

Publication number: JPH11183823A
Application number: JP9354544A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Tanijiri; 靖谷尻; Hiroaki Ueda; 裕昭上田; Kenji Ishibashi; 賢司石橋
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 1999-07-09
Also published as: US6014399A

Abstract

(57)【要約】【課題】大きさと形状のみならず材質に起因するねじ
りばねの特性を考慮して、高速でかつ広範囲に光を走査
することが可能な共振光学装置を提供する。【解決手段】先端に反射ミラーを有し基端を基台に固
定されたロッド状の共振子に、磁石およびコイルより振
動子を介して周方向の振動を与えてねじり共振させる。
共振子を周方向に繊維を配した炭素繊維強化樹脂で形成
して、密度に対する横弾性率と横弾性率に対するねじり
許容応力とを高めて、固有振動数と振幅限界を大きくす
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１９に示す。この共振光学装置は、ロッド
状の鉄製の共振子５１と、共振子５１の先端に取り付け
られた反射ミラー５２と、共振子５１の基端を固定する
不動の基台５３と、共振子５１から水平に突出する同材
質の振動子５４と、振動子５４の端部を上下方向から挟
む永久磁石５５ａ、５５ｂと、振動子５４が貫通するコ
イル５６ａ、５６ｂより成る。磁石５５ａ、５５ｂおよ
びコイル５６ａ、５６ｂは基台５３に固定保持されてい
る。

【０００４】鉄製の振動子５４はコイル５６ａ、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５４の一方の端部と他
方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５４の両端部は、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５４は、ロッ
ド状の共振子５１をその軸の回りにねじるように振動す
る。

【０００５】振動子５４を振動させる交流の周波数を共
振子５１の固有振動数に略一致させることにより、共振
子５１は振動子５４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。共振子５１
の基端は、基台５３によって固定されているから、共振
子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】共振子５１の縦断面を図２０に示す。共振
子５１は稠密に形成されており、基端から先端に向かっ
て次第に細くなる形状とされている。共振子５１の基端
近傍には貫通孔５１ａが、先端部には溝５１ｂが形成さ
れている。振動子５４は貫通孔５１ａに通して固定さ
れ、反射ミラー５２は、溝５１ｂに取り付けられて上下
両側から挟むようにして固定されている。

【０００７】このような共振光学装置は、機械的に駆動
されるガルバノメータに比べて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、適していると
いえる。共振光学装置は、走査速度が高いほど、また、
走査幅が広いほど好ましいものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】先端にミラーを取り付
け基端を固定した太さ均一のねじりばねの場合、その固
有振動数ｆnは、ばね定数をｋ、ミラーの慣性モーメン
トをＩとし、ばね自体の慣性モーメントを無視すると、
式（１）で表される。ｆn ＝１／（２・π）・（ｋ／Ｉ）^1/2 ＝１／（２・π）・｛（π・Ｇ・ｄ⁴）／（３２・Ｉ・Ｌ）｝^1/2 ・・・（１）

【０００９】ここで、Ｇはばねの横弾性率、ｄはばねの
直径、Ｌはばねの長さである。式（１）は、固有振動数
ｆnが、ばね径ｄの２乗に比例し、ばね長Ｌの平方根に
反比例することを表している。ミラーを高速で振動させ
る、すなわち、ばねの固有振動数ｆnを大きくするため
には、ばね径ｄを大きくし、ばね長Ｌを短くすることが
有効である。

【００１０】一方、ばねの振幅限界θlimは、許容ねじ
り応力をτとすると、式（２）で表される。 θlim ＝２・Ｌ・τ／（Ｇ・ｄ）・・・（２）

【００１１】式（２）は、振幅限界θlimが、ばね長Ｌ
に比例し、ばね径ｄに反比例することを表している。し
たがって、ミラーを大きく振動させる、すなわち、ばね
の振幅限界θlimを大きくするためには、ばね長Ｌを長
くし、ばね径ｄを小さくすることが有効である。

【００１２】このように、固有振動数ｆnを高めるため
に満たすべき条件と、振幅限界θlimを大きくするため
に満たすべき条件は、ばねの大きさに関しては相反して
いる。この制約の下で固有振動数ｆnを高めかつ振幅限
界θlimを大きくするために、図２０に示した従来の共
振子は、基端から先端に向かって次第に細くなる形状と
されている。しかしながら、ばねの大きさと形状だけで
固有振動数ｆnを高め振幅限界θlimを大きくすることに
は自ずと限界がある。

【００１３】ねじりばね自体の慣性モーメントを考慮す
ると、その固有振動数ｆnは式（３）となる。 tan｛２・π・ｆn・Ｌ／（Ｇ／ρ）^1/2｝＝ｄ⁴・（ρ・Ｇ）^1/2／（６４・Ｉ・ｆn）・・・（３）ここで、ρはバネの密度であり、式（３）は、ばね径
ｄ、ばね長Ｌ、横弾性率Ｇのみならず、密度ρも固有振
動数ｆnを規定する因子であることを表している。

【００１４】本発明は、大きさと形状のみならず材質に
起因するねじりばねの特性を考慮して、高速でかつ広範
囲に光を走査することが可能な共振光学装置を提供する
ことを目的とする。

【００１５】

【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
共振子と、共振子の先端に保持された反射ミラーと、共
振子に周方向の振動を与える駆動部と、不動の基台とを
備え、共振子の基端を基台に固定し、共振子を駆動部か
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、共振子は、その横弾性率を
Ｇ、密度をρで表すとき、式（４）を満たすものとす
る。Ｇ／ρ ≧ １２×１０⁶ ・・・（４）ただし、単位はＰａ・ｋｇ^-1・ｍ³である。

【００１６】Ｇ／ρの値を大きくしてこの範囲に設定す
ると、式（３）より、共振子の固有振動数ｆnは大きく
なり、反射ミラーを高速で振動させることができる。上
記範囲は、鉄等の金属材料のＧ／ρ値を上回るものであ
り、従来の共振光学装置を超える振動数が得られること
になる。Ｇ／ρ値を大きくすることは、密度ρを一定と
して横弾性率Ｇを大きくすることにより、また、横弾性
率Ｇを一定として密度ρを小さくすることにより達成さ
れるが、後者は式（２）で規定される振幅限界θlimに
影響を及ぼすことがない。

【００１７】上記目的を達成するために、本発明ではま
た、与えられる振動に共振するロッド状の共振子と、共
振子の先端に保持された反射ミラーと、共振子に周方向
の振動を与える駆動部と、不動の基台とを備え、共振子
の基端を基台に固定し、共振子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、共振子は、その横弾性率をＧ、ねじり許容
応力をτで表すとき、式（５）を満たすものとする。 τ／Ｇ ≧ ０.０１・・・（５） τおよびＧは同次元の物理量であるから、τ／Ｇは無次
元数である。

【００１８】τ／Ｇの値を大きくしてこの範囲に設定す
ると、式（２）より、共振子の振幅限界θlimは大きく
なり、共振子の破壊を招くことなく、反射ミラーを大き
い振幅で振動させることができる。上記範囲は鉄等の金
属材料のτ／Ｇ値を上回るものであり、従来の装置より
も大きな振幅限界を有する共振光学装置となる。

【００１９】共振子を、繊維強化樹脂で形成されその繊
維で周方向に強化されたねじりばねとするとよい。力の
加わる方向を強化することで、共振子の横弾性率を金属
並みかそれ以上にすることが可能になり、しかも樹脂で
あって密度が小さいから、式（４）が容易に満たされ
る。また、同一種の繊維強化樹脂でも様々な特性に設定
することが可能であり、式（５）を満たすねじり許容応
力と横弾性率の樹脂の選択も容易である。共振子を中空
とすることも可能であり、これにより共振子自体の慣性
モーメントを小さくすることができて、より固有振動数
を高めることができる。

【００２０】繊維強化樹脂として炭素繊維強化樹脂を用
いるとよい。この樹脂は、密度が小さい上、横弾性率や
ねじり許容応力を容易に大きくすることができるから、
式（４）、（５）を満足するのに適している。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の共振光学装置の実施形態
について図面を参照して説明する。本発明の共振光学装
置の共振子は、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）、ガラス
繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）、ボロン繊維強化樹脂（ＢＦ
ＲＰ）等の繊維で強化された樹脂で形成することができ
る。以下に述べる各実施形態では、このうちＣＦＲＰを
使用している。まず、ねじりばねとしてのＣＦＲＰの特
性について説明する。

【００２２】図１に、ＣＦＲＰの密度ρと横弾性率Ｇの
関係を示す。図１には、従来のばね材料との比較のため
に、いくつかの金属の密度と横弾性率も示している。一
般に金属は、密度ρと横弾性率Ｇが１対１に対応し、密
度が増大すればこれに略比例して横弾性率が増大する傾
向にある。例えば、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆ
ｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）および
イリジウム（Ｉｒ）はこの順に密度ρが大きくなるが、
横弾性率Ｇもこの順で略直線的に大きくなっている。図
示した金属材料のうちＧ／ρ値が最大のものはモリブデ
ンであるが、その値は１１.８×１０⁶Ｐａ・ｋｇ^-1・ｍ³
である。

【００２３】これに対し、ＣＦＲＰは密度ρがほぼ一定
でありながら、その横弾性率Ｇは、炭素繊維の含有率や
特性あるいは配向に応じて様々な値をとる。具体的に
は、密度ρは１.３×１０³〜２.２×１０³ｋｇ・ｍ^-3程
度であって、アルミニウムの２.７×１０³ｋｇ・ｍ^-3よ
りも小さい。横弾性率Ｇは、３０×１０⁹〜５００×１
０⁹Ｐａ以上であってきわめて広範囲にわたり、密度２
２×１０³ｋｇ・ｍ^-3のイリジウムの値２３０×１０⁹Ｐ
ａを超えるものも多い。ＣＦＲＰのＧ／ρ値は１２×１
０⁶Ｐａ・ｋｇ^-1・ｍ³以上であり、モリブデンや鉄よりも
大きい。

【００２４】図２に、ＣＦＰＲの横弾性率Ｇとねじり許
容応力τの関係を示す。図２には、従来のばね材料との
比較のために、ねじりばね材料として最も広く用いられ
ている焼入れ鋼（Ｆｅ）も示している。鉄は横弾性率Ｇ
が８３×１０⁹Ｐａ、ねじり許容応力τが６００×１０⁶
Ｐａであり、τ／Ｇ値は０.００７２である。一般に、
金属の許容応力は弾性率に比例するので、モリブデンや
イリジウム等の図示しない他の金属でもτ／Ｇ値に大き
な差異はない。

【００２５】一方、ＣＦＲＰのねじり許容応力τは、横
弾性率と同様に、炭素繊維の含有率や特性あるいは配向
に応じて様々な値をとる。例えば、横弾性率Ｇが３０×
１０⁹Ｐａであっても、ねじり許容応力τは３７０×１
０⁶〜２０００×１０⁶Ｐａ以上の範囲となる。また、横
弾性率Ｇが増大するにつれてねじり許容応力τの最低値
も増大する。ＣＦＲＰのτ／Ｇ値を０.０１以上とする
ことも容易である。

【００２６】Ｇ／ρ値が１２×１０⁶Ｐａ・ｋｇ^-1・ｍ³以
上でτ／Ｇ値が０.０１以上のＣＦＲＰ製の共振子は、
従来の金属製の共振子と比べて、より大きな固有振動数
ｆｎと、より大きな振幅限界θｌｉｍを有することにな
り、大きさや形状が同じであっても、より高い振動数で
振動し、より大きく振動させることが可能である。各実
施形態の共振子は、この条件を満たすものである。ＧＦ
ＲＰ、ＢＦＲＰ等の他の繊維強化樹脂もＣＦＲＰに類似
する特性を有しており、上記条件を満たすことができ
る。

【００２７】図３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、ＣＦＲＰ製のロッド状
の共振子１１、共振子１１の先端に保持された反射ミラ
ー１２、共振子１１の基端を固定する基台１３、共振子
１１に水平方向に取り付けられた細い棒状の振動子１４
ａ、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。

【００２８】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、同材質のリング１４ｃによっ
て共振子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１９の従来の装置と同じであり、重複
する説明は省略する。

【００２９】共振子１１は基端から先端まで中空に形成
されており、円筒形である。前述のように、共振子１１
はその材料特性により大きな固有振動数ｆnと大きな振
幅限界θlimを有するが、このように中空にして慣性モ
ーメントを小さくしたことで、さらに固有振動数ｆnが
高められている。

【００３０】第２の実施形態の共振光学装置２の外観を
図４に示す。共振光学装置２は、１つの反射ミラー１２
を、２つの共振子１１で両側から保持するものである。
それぞれの共振子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１６ａ、
１６ｂも各々に対して備えられている。単一の共振子１
１を用いる場合に比べて、バネ定数が略２倍になり固有
振動数ｆnが略１.４（平方根２）倍になって、より高速
で光を走査することができる。

【００３１】第３の実施形態の共振光学装置３の外観を
図５に示す。共振光学装置３は、上記共振光学装置２と
同様に、１つの反射ミラー１２を、２つの共振子１１で
両側から保持するものであるが、共振子１１に振動を与
える構成が異なっている。共振光学装置３は、２つの永
久磁石１７ａ、１７ｂ、および２つのコイル１８ａ、１
８ｂを備え、基台１３の一部を成す磁石１７ａ、１７ｂ
の上部で共振子１１の基端を固定している。

【００３２】２つの磁石１７ａ、１７ｂ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。
反射ミラー１２の下面から磁石１７ａ、１７ｂ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１７ａ、１７ｂの磁力はミラー１２の下面に
まで伝わる。

【００３３】コイル１８ａ、１８ｂは、ミラー１２の下
方に、共振子１１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１８ａ、１８ｂ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１２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１８ａ、１８ｂに交流を通じることにより、ミラ
ー１２は２つの共振子１１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３では、ミラー１２が振
動子を兼ねている。

【００３４】第４の実施形態の共振光学装置４の外観を
図６に示す。共振光学装置４では、共振子１１の外形を
四角柱とした点で第１の実施形態の共振光学装置１と異
なっている。この共振子１１も中空とされており、内周
面も四角柱状である。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。

【００３５】第１〜第３の実施形態の共振光学装置１、
２、３の共振子１１の構造を模式的に図７に示す。円筒
の中心軸に対して略＋４５゜および略−４５゜の傾きと
なるように、炭素繊維２５が螺旋状に多重に巻かれてい
る。炭素繊維２５を円筒の周方向に配したことにより、
共振子５１はねじり振動方向に強化されている。共振子
５１をねじる力は炭素繊維を引張る力となるが、炭素繊
維の縦弾性率は１×１０¹¹〜８×１０¹¹Ｐａ程度であ
り、引張り許容応力は１×１０⁹Ｐａ以上であるから、
Ｇ／ρ値およびτ／Ｇ値を前述の条件を満たすように設
定することは容易である。

【００３６】なお、円筒の中心軸に対する炭素繊維の傾
きの大きさは任意であり、例えば、略垂直にして円周を
成すようにしてもよく、多重の層ごとに傾きを変化させ
るようにしてもよい。円筒の中心軸に対する炭素繊維の
傾きを大きくして垂直に近づけるほど周方向の強化の度
合いが高まり、小さくして平行に近づけるほど軸方向の
強化の度合いが高まることになる。

【００３７】円筒形の共振子１１は、円柱状の仮心材に
炭素繊維２５を巻き付けつつ溶融状態の樹脂を加えて形
成し、樹脂を硬化させた後に仮心材を引き抜くことによ
って製造する。仮心材を溶かして除去するようにしても
よい。多角柱の仮心材を使用すれば、多角柱形の筒状の
共振子とすることも可能であり、第４の実施形態の共振
光学装置４はこの方法で製造したものである。

【００３８】均一な太さの仮心材を用いることに代え
て、一端から他端に向かって次第に細くなる仮心材を用
いて、基台１３に固定される基端が太く、反射ミラー１
２を固定する先端が細い共振子としてもよい。そのよう
な形状の共振子では、慣性モーメントが低下して、固有
振動数ｆnを一層高めることができる。

【００３９】中央部が円柱で、一端部が中央部よりも太
い多角柱、他端部が中央部よりも細い多角柱の仮心材を
用いて、共振子を製造してもよい。仮心材は太い側の端
部から引き抜く。こうして製造した共振子は外形は円柱
状でありながら、両端部の内周面が円柱面でなくなっ
て、以下に述べるように、反射ミラー１２や基台１３と
の結合が確実になる。

【００４０】共振子１１と反射ミラー１２の結合につい
て説明する。結合された状態の共振子１１とミラー１２
の縦断面を図８に例示する。（ａ）は、ミラー１２に結
合部１２ａを形成しておき、この結合部１２ａを共振子
１１の先端部に挿入して、接着剤２６により内周面に固
着したものである。（ｂ）は、結合部１２ａの外径を共
振子１１の先端部の内径よりも僅かに大きく形成してお
き、結合部１２ａを共振子１１の先端部に圧入すること
により、両者を嵌合させたものである。（ｃ）は、結合
部１２ａを圧入した共振子１１の先端部を、さらに外側
からリング１２ｂで締め付けて固定したものである。

【００４１】このようにして共振子１１とミラー１２を
固く結合することにより、共振子１１の先端部に対する
ミラー１２の振動方向への動きが完全に防止されて、ミ
ラー１２を共振子１１の先端と同じ振動数かつ同じ振幅
で振動させることができる。共振子１１の先端部の内周
面を角柱面とし、結合部１２ａをこれと相補的な形状と
しておけば、振動方向の滑りが皆無となり結合はより確
実になる。

【００４２】図９に、共振子１１と反射ミラー１２の結
合の他の例の外観を示す。（ａ）は、ミラー１２の背面
を共振子１１の先端部の外周面と同じ曲率の凹面にし
て、接着剤２６により固着したものである。（ｂ）は、
共振子１１の先端部を締め付けるリング１２ｃによっ
て、ミラー１２をその外周面に固定したものである。

【００４３】ここで用いる反射ミラー１２の構造を模式
的に図１０に示す。ミラー１２は、アモルファスガラス
１２ｄに結晶化ガラス１２ｅを混入した強化ガラスで形
成されており、表面に反射剤２７がコートされている。
強化ガラスは外力により歪み難く、高速で振動させても
撓まず、光学的性能が損なわれる恐れがない。

【００４４】共振子１１と基台１３の結合について説明
する。結合された状態の共振子１１と基台１３の縦断面
を図１１に例示する。（ａ）は、基台１３に結合部１３
ａとなる突起を形成しておき、この結合部１３ａを共振
子１１の基端部に挿入して、接着剤２６により内周面に
固着したものである。（ｂ）は、結合部１３ａの外径を
共振子１１の基端部の内径よりも僅かに大きく形成して
おき、結合部１３ａを共振子１１の基端部に圧入するこ
とにより、両者を嵌合させたものである。（ｃ）は、結
合部１３ａを圧入した共振子１１の基端部を、さらに外
側から広幅のリング１３ｂで締め付けて固定したもので
ある。

【００４５】（ｄ）は、基台１３に、共振子１１の基端
部の外径よりも僅かに小さい口径の貫通孔を形成してお
き、これに共振子１１の基端部を圧入するとともに、結
合部材２１を基端部に挿入し、結合補助部材２２を用い
て結合部材２１を内側から共振子１１に押圧して固定し
たものである。結合部材２１の外観を図１２に示す。結
合部材２１は、共振子１１に挿入される前部２１ａ、基
台１３の後面に平行なフランジ部２１ｃ、および後部２
１ｂより成る。前部２１ａは筒状で、複数個所に共振子
１１の軸方向に沿う切り込み２１ｄが形成されており、
その内周面は先端に向かって細くなる円錐面とされてい
る。後部２１ｂは内周面にねじ溝が形成されており、フ
ランジ部２１ｃは基台１３にねじ止めされる。

【００４６】結合補助部材２２の前部２２ａは先端に向
かって細くなる円錐面とされており、後部２２ｂの外周
面にはねじ山が形成されている。結合補助部材２２を結
合部材２１にねじ係合させて深く進入させることによ
り、結合補助部材２２の前部２２ａが結合部材２１の前
部２１ａを押し拡げる。これにより共振子１１の基端部
の内周面が押圧され、共振子１１は外周面と内周面の双
方で基台１３に固定されることになる。

【００４７】（ａ）〜（ｄ）のようにして共振子１１と
基台１３を固く結合することにより、基台１３に対する
共振子１１の基端の動きが完全に止められる。したがっ
て、共振子１１の先端の振幅が小さくなる恐れがなく、
また、振動のエネルギーが共振子１１と基台１３との間
で失われることもない。なお、反射ミラー１２の固定の
場合と同様に、共振子１１の基端部の内周面を角柱面と
し、結合部１３ａをこれと相補的な形状として、結合の
確実性をさらに高めるようにしてもよい。

【００４８】共振子１１と振動子１４ａ、１４ｂの結合
部位の縦断面を図１３に示す。振動子１４ａ、１４ｂは
図に現れていないが、リング１４ｃと一体に形成され
て、紙面の前後方向に配設されている。リング１４ｃ
は、その内径が室温で共振子１１の外径よりも少し小さ
くなるように設定されており、共振子１１を外側から締
め付けるようにして共振子１１の外周面に固定されてい
る。リング１４ｃを熱して膨張させ、内径が大きくなっ
た状態にあるときに共振子１１を通し、室温まで冷却し
て収縮させることにより、両者を結合する。

【００４９】筒状の共振子１１に、振動子１４ａ、１４
ｂを通すための貫通孔を設けると、その部位の強度が低
下してしまい共振子１１の耐久性が損なわれるが、振動
子１４ａ、１４ｂをリング１４ｃと一体化して共振子１
１の外周面に固定したことで、その不都合が防止され
る。共振子１１を基端から先端に向けて細くなる形状と
するときは、共振子１１を先端からリング１４ｃに圧入
することにより、両者を結合してもよい。また、接着剤
で固着することも可能である。リング１４ｃの内周面に
突起を形成して、結合をより確実にしてもよい。その場
合、炭素繊維を切断して強度低下を招くことがないよう
に、突起の大きさや形状を設定する。

【００５０】第５の実施形態の共振光学装置５の外観を
図１４に示す。この共振光学装置５は、上記各実施形態
の共振光学装置のように、共振子１１に振動子１４ａ、
１４ｂを取り付けるのではなく、ＣＦＲＰ製の筒状の共
振子１１と基台１３の間に振動部１９を設けてこれに振
動子１４を取り付け、振動子１４により振動部１９を振
動させてその振動を共振子１１に伝達して共振させるよ
うにしたものである。

【００５１】振動部１９から反射ミラー１２までの縦断
面を図１５に示す。振動部１９は鉄等の金属製であり、
内部は中空とされていない。振動部１９には貫通孔１９
ａが形成されており、これに磁性体材料から成る振動子
１４を通して固定する。振動部１９は、稠密であって貫
通孔１９ａの全体にわたって振動子１４の外周面に接す
るから、貫通孔１９ａを形成することにより強度が低下
する恐れはない。

【００５２】反射ミラー１２は結合部１２ａを有してお
り、結合部１２ａに形成された溝に圧入されて固定され
ている。結合部１２ａは、前述の図８（ｂ）に示した方
法で共振子１１の先端に結合されているが、同図の
（ａ）や（ｃ）の方法によって結合することもできる。
振動部１９は、結合部１９ｂとなる四角柱状の突起が後
端に形成されており、これと相補的な形状の凹部を基台
１３に形成して両者を嵌合させることにより、基台１３
に固定されている。振動部１９は稠密であって強度が高
いから、ねじ止め等の他の方法によって基台に固定する
ようにしてもよい。

【００５３】共振子１１と振動部１９の結合について説
明する。結合前の共振子１１と振動部１９の外観を図１
６に、結合された状態の両者の縦断面を図１７に例示す
る。いずれの例でも、共振子１１の基端部の内周面を断
面が多角形となるように形成しておき、振動部１９の前
端に結合部１９ｃとなる突起を形成して、両者を係合さ
せて接着剤により結合する。

【００５４】図１６の（ａ）は、結合部１９ｃを四角柱
とし、共振子１１の内周面を結合部１９と同じかそれよ
りも僅かに大きい形状としたものである。図１６の
（ｂ）は、結合部１９ｃを四角錐台とし、共振子１１の
内周面も同じ傾斜の四角錐台状としたものである。図１
７の（ａ）はこの結合の断面を示す。結合部１９ｃの先
端は共振子１１の基端面の開口よりも小さく、結合部１
９ｃの基部は共振子１１の基端面の開口よりも大きく形
成されており、結合部１９ｃを共振子１１の基端部に押
し込むことで、結合部１９ｃの外周面が共振子１１の内
周面に密接する。したがって、結合部１９ｃや共振子１
１の基端部の内周面の大きさに作製誤差があったとして
も、両者はがたつきなく強固に固定される。

【００５５】図１６の（ｃ）は、結合部１９ｃを四角錐
台とし、共振子１１の内周面を結合部１９ｃよりも僅か
に小さい四角錐台状とするとともに、結合部１９ｃに共
振子の中心軸に沿う深い溝１９ｄを形成したものであ
る。図１７の（ｂ）はこの結合の断面を示す。共振子１
１の基端部の内周面が結合部１９ｃを上下方向から挟み
つけることになり、両者はがたつきなく強固に固定され
る。なお、ここでは溝１９ｄを水平方向に形成してして
いるが、垂直方向に形成してもよい。

【００５６】このようにして、振動部１９を共振子１１
に結合することにより、振動部１９の振動が失われるこ
となく共振子１１に伝達される。特に、図１６（ｃ）お
よび図１７（ｂ）のように溝１９ｄを形成すると、振動
部１９がそれだけ軽量になってより小さなエネルギーで
振動させることが可能になり、好ましい。

【００５７】本発明の共振光学装置を、走査式のＨＭＤ
に適用した例を図１８に示す。図１８において、（ａ）
はＨＭＤ３０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。ＨＭＤ３０は、レーザ３
１、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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】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、第４、第５の実施形態の共振光学装
置１、４、５はこれらの要求を満足するものであり、Ｈ
ＭＤ３０では主走査部３３としてこれらの装置のうちの
１つを採用している。走査周波数をより高くする場合に
は、第２または第３の実施形態の共振光学装置２または
３を用いることができる。

【００６１】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
９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、４または５を使用している。これ
らの装置１、４、５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。

【００６２】ＨＭＤ３０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。

【００６３】

【発明の効果】請求項１の共振光学装置によるときは、
共振子の固有振動数を大きくすることが可能であり、光
を高速で走査することができる。しかも、固有振動数を
大きくすることに伴って振幅限界が小さくなることを避
けることができるから、高速走査と広範囲の走査の両立
が可能になる。また、固有振動数を高めるために共振子
を太く形成する必要がなく、装置全体を小型かつ軽量に
することができる。

【００６４】請求項２の共振光学装置によるときは、共
振子を大きく振動させることが可能になって、光を広範
囲に走査することができる。しかも、固有振動数の低下
を伴うことなく振幅限界を大きくすることができるか
ら、高速走査と広範囲の走査の両立が可能である。ま
た、振幅限界を大きくするために共振子を長く形成する
必要がなく、装置全体を小型かつ軽量にすることができ
る。

【００６５】請求項３や請求項４の共振光学装置は、高
速で広範囲を走査することが可能である上、小型できわ
めて軽量である。したがって、走査式のＨＭＤの走査部
として用いるのに適している。また、耐久性の高い装置
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】炭素繊維強化樹脂および金属の密度と横弾性
率の関係を示す図。

【図２】炭素繊維強化樹脂および金属の横弾性率とね
じり許容応力の関係を示す図。

【図３】第１の実施形態の共振光学装置の外観を示す
斜視図。

【図４】第２の実施形態の共振光学装置の外観を示す
斜視図。

【図５】第３の実施形態の共振光学装置の外観を示す
斜視図。

【図６】第４の実施形態の共振光学装置の外観を示す
斜視図。

【図７】共振子の構造を模式的に示す破断斜視図。

【図８】共振子と反射ミラーの結合の例を示す縦断面
図。

【図９】共振子と反射ミラーの結合の他の例を示す斜
視図。

【図１０】反射ミラーの構造の例を模式的に示す断面
図。

【図１１】共振子と基台の結合の例を示す縦断面図。

【図１２】共振子と基台を結合する結合部材の斜視
図。

【図１３】共振子と振動子の結合を示す縦断面図。

【図１４】第５の実施形態の共振光学装置の外観を示
す斜視図。

【図１５】振動部、共振子および反射ミラーの縦断面
図。

【図１６】共振子と振動部の結合の例を示す斜視図。

【図１７】共振子と振動部の結合の例を示す縦断面
図。

【図１８】本発明の共振光学装置を用いた走査式ＨＭ
Ｄの概略構成を示す図。

【図１９】従来の共振光学装置の外観を示す斜視図。

【図２０】従来の共振子の縦断面図。

【符号の説明】

１、２、３、４、５共振光学装置１１共振子１２反射ミラー１２ａ結合部１２ｂ、１２ｃリング１２ｄアモルファスガラス１２ｅ結晶化ガラス１３基台１３ａ結合部１３ｂリング１４、１４ａ、１４ｂ振動子（駆動部）１４ｃリング１５ａ、１５ｂ永久磁石（駆動部）１６ａ、１６ｂコイル（駆動部）１７ａ、１７ｂ永久磁石（駆動部）１８ａ、１８ｂコイル（駆動部）１９振動部（駆動部）１９ａ貫通孔１９ｂ、１９ｃ結合部１９ｄ溝２１結合部材２２結合補助部材２５炭素繊維２６接着剤２７反射剤３０走査式ＨＭＤ３１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

【特許請求の範囲】

【請求項１】与えられる振動に共振するロッド状の共
振子と、前記共振子の先端に保持された反射ミラーと、
前記共振子に周方向の振動を与える駆動部と、不動の基
台とを備え、前記共振子の基端を前記基台に固定し、前
記共振子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、前記共振子は、その横弾性率をＧ、密度をρで表すと
き、Ｇ／ρ ≧ １２×１０⁶ Ｐａ・ｋｇ^-1・ｍ³ を満たすことを特徴とする共振光学装置。
【請求項２】与えられる振動に共振するロッド状の共
振子と、前記共振子の先端に保持された反射ミラーと、
前記共振子に周方向の振動を与える駆動部と、不動の基
台とを備え、前記共振子の基端を前記基台に固定し、前
記共振子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、前記共振子は、その横弾性率をＧ、ねじり許容応力をτ
で表すとき、 τ／Ｇ ≧ ０.０１を満たすことを特徴とする共振光学装置。
【請求項３】前記共振子は、繊維強化樹脂で形成され
その繊維で周方向に強化されたねじりばねであることを
特徴とする請求項１または請求項２に記載の共振光学装
置。
【請求項４】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３に記載の共振光学装置。