JPH11183824A - バネ振動機構及びそれを用いた光走査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は軽量な材料から成るねじりバネを用
いたバネ振動機構であり、該ねじりバネが非磁性体の場
合でも可能なバネ振動機構を提供することを目的とす
る。また、そのほかの目的は、軽量なねじりバネによる
バネ振動機構に反射ミラーを備えた光走査装置を提供す
ることにある。 【解決手段】 本発明のバネ振動機構は、棒状でねじり
方向に弾性を有するねじりバネ２と、ねじりバネ２の一
端を保持する基板１と、ねじりバネとは異なる材料から
成り、ねじりバネの表面又は内部に設けられ、駆動信号
を与えられることによりねじりバネに直接ねじり方向に
ひずみを与える圧電素子３と、を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、片持ち支
持のねじりバネを共振させるバネ振動機構、及び該バネ
振動機構を備えた光走査装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光走査装置は、反射ミラーを振動させる
ことによって反射ミラーに入射したレーザー光を偏向す
るものである。この反射ミラーを大きい振幅且つ高周波
で振動させるための構成がバネ振動機構であり、片持ち
支持されているねじりバネの先端に反射ミラーを取り付
け、ねじりバネを共振させることで反射ミラーを振動さ
せている。

【０００３】従来のバネ振動機構は、磁性体から成るね
じりバネと、該ねじりバネの一端を保持するバネ保持部
材と、ねじりバネを磁化させるバネ磁化部材と、磁束を
発生させる磁束発生部材から成る。ねじりバネはバネ磁
化部材により磁化されており、磁束発生部材によって生
じる磁束から反発する又は引き合う力を受けて一ねじり
方向にねじれる。このねじり方向の力をねじりバネの固
有振動数付近の周波数で繰り返し反転させると、ねじり
バネでは共振が生じ、ねじりバネの遊端部(先端部)が大
きく振動する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のバネ振
動機構ではねじりバネが、例えば鉄で形成されているこ
とからその自重は重く、ねじりバネの固有振動数を大き
くすることは困難であり、固有振動数を大きくするため
にバネ定数を大きくすれば振幅が小さくなってしまう。
故に、このバネ振動機構を光走査装置に用いた場合に
は、反射ミラーを高速度で大きく振動させることができ
ない。また、ねじりバネを軽量な材料、例えば繊維強化
樹脂などで形成するとその固有振動数を大きく、且つ大
きな振動とすることができるが、ねじりバネが非磁性体
であることからねじりバネを磁化させて振動させるとい
う従来のバネ振動機構に用いることはできない。さら
に、磁性体など質量の大きい駆動部材を別体に設ける
と、慣性が大きくなり固有振動数を低下させるという課
題があった。

【０００５】上記課題をかんがみて、本発明は軽量な材
料から成るねじりバネを用いたバネ振動機構であり、該
ねじりバネが非磁性体にも適用可能なバネ振動機構を提
供することを目的とする。また、そのほかの目的は、軽
量なねじりバネとバネ駆動部材とすることによって高
速、且つ大振幅な振動の光走査装置を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１のバネ振動機構は、棒状でねじり方向に弾
性を有するバネ部材と、バネ部材の一端を保持するバネ
保持部材と、バネ部材とは異なる材料から成り、バネ部
材の表面又は内部に設けられ、駆動信号を与えられるこ
とによりバネ部材に直接ねじり方向の力を加えるバネ駆
動部材と、を備えたものである。尚、駆動信号は電気体
又は磁気体に与えられる。この構成によると、バネ部材
の表面又は内部に設けられたバネ駆動部材は直接バネ部
材にねじり方向の力を加える。このねじり方向の力を共
振バネの固有振動数付近の周波数で繰り返し反転させる
と、共振バネの遊端部(先端部)は共振する。

【０００７】請求項２のバネ振動機構は、請求項１に記
載のバネ振動機構において、バネ部材が繊維強化樹脂か
ら成ることを特徴とする。この構成によると、繊維強化
樹脂から成るバネ部材は軽量なのでその固有振動数は大
きく、またねじり強度も高いものとなる。

【０００８】請求項３のバネ振動機構は、請求項１及び
２に記載のバネ振動機構において、バネ駆動部材はバネ
部材と一体に成型されたものである。これによって、バ
ネ部材とバネ駆動部材との接合部分の強度が増す。

【０００９】請求項４のバネ振動機構は、請求項１乃至
３のいずれかに記載のバネ振動機構において、バネ駆動
部材は圧電素子である。この構成によると、圧電素子に
通電することでひずみが生じ、このひずみを受けてバネ
部材がねじれる。

【００１０】請求項５のバネ振動機構は、請求項１乃至
３のいずれかに記載のバネ振動機構において、前記駆動
信号は磁界で与えられ、バネ駆動部材はこの磁界によっ
て磁気力を受ける磁性体から成るものである。この構成
によると、磁性体であるバネ駆動部材が磁界から受ける
磁気力によってバネ部材がねじれる。

【００１１】請求項６のバネ振動機構は、請求項１乃至
３のいずれかに記載のバネ振動機構において、前記駆動
信号は磁界で与えられ、バネ駆動部材はこの磁界によっ
て誘導電流を発生して磁気力を受けるコイルから成るも
のである。この構成によると、駆動信号の磁界によって
バネ駆動部材のコイルでは誘導電流が生じ、この磁界の
磁束を打ち消す方向に磁束が発生する。これらの磁束同
士が反発してバネ駆動部材は力を受けるが、この力によ
ってバネ部材がねじれる。

【００１２】請求項７のバネ振動機構は、請求項１〜６
に記載のバネ振動機構において、繊維強化樹脂の強化繊
維は炭素繊維であることを特徴とする。この炭素繊維は
ガラス繊維などほかの強化繊維に比べて弾性及び強度に
優れている。

【００１３】請求項８の光走査装置は、請求項１乃至７
のいずれかに記載のバネ振動機構を備えたものである。
この光走査装置ではバネ共振機構のバネ部材の先端部に
反射ミラーを設け、例えばその反射ミラーにレーザー光
を入射させ、バネ振動機構の共振によって反射ミラーが
高速且つ大きく振動し、レーザー光はその振動方向に偏
向走査される。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明に係る実施形態について図
面を参照しながら説明する。図１(イ)は第１実施形態の
バネ振動機構の概略図である。１は基板、２は繊維強化
樹脂(以下、「ＦＲＰ」という。)から成る筒状のねじりバネ
である。このねじりバネ２の一端は、基板１に保持され
ている。

【００１５】ねじりバネ２の基板１に固定されている端
部の近傍には、その表面にバネ駆動部材である圧電素子
３が複数個固着している。圧電素子３はいずれも細長い
直方体状で、その長さ方向はねじりバネ２の長さ方向に
対して角度を持つように斜めに位置しており、互いに他
の圧電素子３とは円周方向に均等な間隔で設けられてい
る。

【００１６】図１(ロ)には本実施形態に用いられている
たわみ型圧電素子３を示している。上図が通常の場合の
圧電素子を示しており、これに通電すると下図に示すよ
うにたわむ。尚、この形状変化は可逆的に行われる。

【００１７】図１(イ)において、圧電素子３は図示しな
い電源に接続されており、通電すると上述したようにた
わんでねじりバネ２にねじり方向の力を与える。電流を
遮断すると圧電素子３は元の形状に戻り、ねじりバネ２
に加えられていたねじり方向の力は解消する。この圧電
素子３への通電及び遮断をねじりバネ２の固有振動数付
近の周波数で繰り返し行うと、ねじりバネ２は共振して
遊端部(先端部)が大きく振動する。

【００１８】本実施形態では、ねじりバネ２がＦＲＰで
形成されているので、鉄などの従来のねじりバネより軽
く、その固有振動数は大きい。故に、先端部での振動は
高速度となる。また、ＦＲＰは強度が高いことから共振
した際の先端部の振幅をより大きくできる。

【００１９】次に、本発明に係る第２実施形態について
説明する。図２は本実施形態のバネ振動機構の概略図で
ある。ねじりバネ２は炭素繊維強化樹脂(以下、「ＣＦＲ
Ｐ」という。)から成るもので、第１実施形態におけるた
わみ型圧電素子３をねじりバネ２の内部に一体に成型し
ている。尚、そのほかの構成及び共振動作については第
１実施形態と同様なのでその説明は省略する。

【００２０】図３はこの第２実施形態のねじりバネ２の
作成方法を示した概略図である。図３(イ)に示す４は円
柱状の芯である。まず、この芯４の表面には長さ方向と
平行に複数の炭素繊維２ａを沿わせる(図３(ロ)参照)。
そして、芯４の一端の近傍には、炭素繊維２ａの上から
芯４の長さ方向に対して角度を持つように斜めに複数の
圧電素子３を設ける。これらの圧電素子３は円周方向に
均等な間隔で位置し、全ての圧電素子３がたわんだ際に
はねじりバネ２に均一なねじり方向の力がかかるよう設
計されている。

【００２１】次に、各炭素繊維２ａに対して垂直となる
ように、芯４の円周方向に複数の炭素繊維２ｂを巻き付
ける(図３(ハ)参照)。このとき、圧電素子３が設けられ
ているところではその上から炭素繊維２ｂを巻き付け
る。そして、芯４の表面に形成された炭素繊維２ａ,２
ｂ及び圧電素子３に樹脂を塗布して硬化させる(図３
(ニ)参照)。図３(ホ)は樹脂が硬化した後に芯４を抜き
取って完成したねじりバネ２を示している。

【００２２】本実施形態ではねじりバネ２の強化繊維に
弾性及び強度が優れている炭素繊維を用いていることか
ら、高速且つ大振幅の振動が可能になる。また、圧電素
子３をねじりバネ２と一体に成型しているので、その接
合部分の強度が増す。従って、ねじりバネに大きな駆動
力を与えることができ、より大きな振動が可能となる。

【００２３】次に、本発明に係る第３実施形態について
説明する。図４(イ)は本実施形態のバネ振動機構の概略
図である。ここでは、バネ駆動手段として伸縮型圧電素
子を用いている。尚、そのほかの構成については第２実
施形態と同様なのでその説明は省略する。

【００２４】ねじりバネ２の基板１に固定されている端
部の近傍には、その内部に伸縮型圧電素子３が設けられ
ている。伸縮型圧電素子３は形状が円弧を成すもので、
ねじりバネ２の円周方向に沿って複数個設けられてお
り、互いに他の圧電素子３と円周方向に均等な間隔で設
けられている。図３(ロ)には本実施形態で用いられてい
る伸縮型圧電素子３を示している。左図が通常の場合の
圧電素子であり、これに通電すると右図のように伸長す
る。尚、この形状変化は可逆的に行われる。

【００２５】次に、本発明に係る第４実施形態について
説明する。図５は本実施形態のバネ振動機構の概略図で
ある。このねじりバネ２の内部には、基板１に固定され
ている端部の近傍に磁性体から成るバネ駆動部材５が２
個設けられている(一方のバネ駆動部材５ａのみ図示)。
このバネ駆動部材５は細長い形状を成し、その長さ方向
はねじりバネ２の長さ方向と平行に位置しており、ねじ
りバネ２の両脇にそれぞれ設けられている。このねじり
バネ２の作成方法は第２実施形態と同様であるから、そ
の説明は省略する。

【００２６】各バネ駆動部材５の下方には、磁界発生手
段であるコイル６ａ,６ｂがそれぞれ設けられている。
いま、バネ駆動部材５ａに対向するコイル６ａに図示し
ない電源で通電して磁界を発生させる。バネ駆動部材５
ａはコイル６ａの磁気力によって引きつけられるので、
ねじりバネ２にはねじり方向の力が与えられる(図中、矢
印Ａ)。このとき、他方のコイル６ｂは通電されない。

【００２７】次に、前記コイル６ａの通電を遮断して他
方のコイル６ｂに通電すると、コイル６ｂに対向する他
方のバネ駆動部材がコイル６ｂの磁気力により引きつけ
られる。故に、ねじりバネ２に与えられていたねじり方
向の力は反転する(図中、矢印Ｂ)。この通電の切替えを
ねじりバネ２の固有振動数付近の周波数で繰り返し行う
と、ねじりバネ２は共振して先端部が大きく振動する。

【００２８】尚、上記バネ駆動部材５に永久磁石を用い
ると、ねじりバネ２に与えられる力がより大きくなり、
また上下方向の振動を押さえることができる。この場
合、ねじりバネ２の長さ方向に延びる各バネ駆動部材５
では、ねじりバネ２の先端部側に位置する端部がいずれ
も同じ磁極となっている。コイル６ａ,６ｂには他方の
コイルと反対方向の磁力線を発生させるよう通電する。

【００２９】これによって、一方のバネ駆動部材５の前
記端部は上方に、他方のバネ駆動部材５の前記端部は下
方に引きつけられる。従って、ねじりバネ２にはねじり
方向の力が加わる。また、コイル６への通電方向を逆に
すると、ねじりバネ２にかかるねじり方向の力も反転す
る。

【００３０】次に、本発明に係る第５実施形態について
説明する。図６は本実施形態のバネ振動機構の概略図で
ある。ねじりバネ２の基板１に固定されている端部の近
傍には、コイルからなるバネ駆動部材７(一方のバネ駆
動部材７ａのみ図示)が２個両脇に設けられている。こ
のバネ駆動部材７のコイルは、ねじりバネ２の長さ方向
に対して垂直に磁束が発生するよう形成された薄膜状の
もので、電源には接続されていない。尚、ねじりバネ２
の作成方法は第２実施形態と同様であり、その説明は省
略する。

【００３１】各バネ駆動部材７の下方には、磁界発生手
段である薄膜コイル電極８ａ,８ｂがそれぞれ設けられ
ている。いま、バネ駆動部材７ａに対向する薄膜コイル
電極８ａに交流電源８ｃにより通電して磁束を発生させ
る。このときの磁束の方向は、ねじりバネ２の長さ方向
に対して垂直となる。バネ駆動部材７ａでは薄膜コイル
電極８ａで発生する磁束によって誘導電流が流れ、薄膜
コイル電極８ａの磁束を打ち消す方向に磁束が発生す
る。これらの磁束が反発してバネ駆動部材７ａは持ち上
げられ、ねじりバネ２にはねじり方向の力が与えられる
(図６中、矢印Ａ)。

【００３２】また、他方の薄膜コイル電極８ｂに通電す
ると、ねじりバネ２に与えられていたねじり方向の力は
反転する(図中、矢印Ｂ)。この通電の切替えをねじりバ
ネ２の固有振動数付近の周波数で繰り返し行うと、ねじ
りバネ２は共振して先端部が大きく振動する。尚、薄膜
コイル電極８ａ,８ｂは交互に通電される。

【００３３】次に、本発明に係る光走査装置の一実施形
態について説明する。図７(イ)は本実施形態の光走査装
置の斜視図であり、(ロ)はねじりバネ１２の先端部を反
対側から見て拡大した図である。１１は対向する２つの
壁１１ａ,１１ｂが設けられたコ字状の基台であり、一
方の壁１１ａには、ＣＦＲＰで形成されたねじりバネ１
２の一端が固定されている。また、ねじりバネ１２の先
端部の近傍には鏡面が上方を向くように反射ミラー１３
が設けられている。

【００３４】ねじりバネ１２の先端部では、その内部に
複数の永久磁石１４が円周方向に並んで設けられてい
る。これらの永久磁石１４は棒状でいずれもねじりバネ
１２の長さ方向と平行に延びており、ねじりバネ１２の
先端部の側面１２ａで永久磁石１４の一方の磁極が露出
している。また、この露出した磁極は、隣合う永久磁石
１４の磁極とは逆になっている。

【００３５】基台１１の他方の壁１１ｂは、ねじりバネ
１２の先端部の側面１２ａに対向している。この壁１１
ｂには複数のコイル１５がねじりバネ１２の円周に沿っ
て設けられており、前記側面１２ａにおいて隣接する２
個の永久磁石１４のちょうど中間位置に壁１１ｂのコイ
ル１５が対向している。また、いずれのコイル１５も巻
き方向がねじりバネ１２の長さ方向に対して垂直となっ
ている。

【００３６】いま、コイル１５に図示しない電源で、隣
接するコイル１５同士では発生する磁束の向きが逆にな
るように通電する。これによって、ねじりバネ１２の永
久磁石１４は、左右斜め前方に位置する２個のコイル１
５に対して一方のコイル１５には引きつけられ、他方の
コイル１５には反発する。つまり、ねじりバネ１２には
先端部でねじり方向の力が加わる。また、コイル１５の
通電方向を逆にすると、ねじりバネ１２の先端部にかか
るねじり方向の力は反転する。

【００３７】コイル１４の通電方向をねじりバネ１２の
固有振動数付近の周波数で繰り返し切り替えると、ねじ
りバネ１２は共振して先端部が大きく振動する。従っ
て、ねじりバネ１２の先端部に設けられている反射ミラ
ー１３も、ねじりバネ１２の長さ方向を軸に大きな振幅
で振動する。

【００３８】本実施形態の光走査装置では、ねじり方向
の力をねじりバネ２の先端部に与えることから上下方向
の振動がほとんどなく、反射ミラーに入射した光を適切
に走査することができる。

【００３９】

【発明の効果】請求項１のバネ振動機構によると、バネ
部材が非磁性体で形成したものであってもバネ駆動部材
によりねじり方向の力が与えられて振動することができ
る。従って、鉄などの磁性体から成る従来のバネ部材よ
り軽くなり、その固有振動数が大きいことから先端部で
の振動を高速度にすることができる。

【００４０】請求項２のバネ振動機構によると、バネ部
材を繊維強化樹脂で形成することができるのでバネ部材
は軽く、大きい弾性率を持つものとなる。故に、高速度
の振動ができ、また振幅もより大きくなる。

【００４１】請求項３のバネ振動機構によると、バネ部
材とバネ駆動部材の接合部分の強度が増しガタが無いの
でより大きい力を確実にバネ部材に与えることができ、
高速度の振動が可能となる。また、破損しにくいことか
らその寿命も長くなる。また、バネ駆動部材をバネ部材
に取り付ける作業が不要である。

【００４２】請求項４のバネ振動機構によると、バネ駆
動部材に圧電素子を用いているので、高速度で力の強い
駆動が可能となる。

【００４３】請求項５のバネ振動機構によると、バネ部
材全体を磁化する必要がないので、バネ部材を軽量にで
き、高速度の振動が可能になる。

【００４４】請求項６のバネ振動機構によると、バネ駆
動部材自体は薄膜状のコイルから成るのでバネ部材を軽
量にでき、高速度の駆動が可能になる。

【００４５】請求項７のバネ振動機構によると、バネ部
材の強化繊維に炭素繊維を用いていることから、炭素繊
維を巻き付けるという作業を容易に行うことができる。

【００４６】請求項８の光走査装置によると、請求項１
乃至７のいずれかに記載のバネ振動機構を備えているの
で、この光走査装置をディスプレイの走査手段として用
いると、高速度で画角の大きい走査を行うことができ
る。また、バネ部材が軽量となる分、反射ミラーを大き
く構成することができ、結果として高品位(高精細)、且
つ大画面のディスプレイとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(イ)は第１実施形態のバネ振動機構の概略図。
(ロ)はたわみ型圧電素子の説明図。

【図２】第２実施形態のバネ振動機構の概略図。

【図３】第２実施形態のねじりバネの作成過程を示した
図。

【図４】(イ)は第３実施形態のバネ振動機構の概略図。
(ロ)は伸縮型圧電素子の説明図。

【図５】第４実施形態のバネ振動機構の概略図。

【図６】第５実施形態のバネ振動機構の概略図。

【図７】光走査装置の一実施形態を示した概略図。

【符号の説明】

１ 基板 ２ ねじりバネ ３ 圧電素子 ４ 芯 ５ バネ駆動部材(磁性体) ６ 磁界発生手段(コイル) ７ バネ駆動部材(コイル) ８ 磁界発生手段(薄膜コイル電極) １１ 基台 １２ ねじりバネ １３ 反射ミラー １４ 永久磁石 １５ コイル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 (72)発明者 小林 恭 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 (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 棒状でねじり方向に弾性を有するバネ部
   材と、 前記バネ部材の一端を保持するバネ保持部材と、 前記バネ部材とは異なる材料から成り、前記バネ部材の
   表面又は内部に設けられ、駆動信号を与えられることに
   より前記バネ部材に直接ねじり方向の振動を加えるバネ
   駆動部材と、を備えたことを特徴とするバネ振動機構。
2. 【請求項２】 前記バネ部材が繊維強化樹脂から成るこ
   とを特徴とする請求項１に記載のバネ振動機構。
3. 【請求項３】 前記バネ駆動部材は前記バネ部材と一体
   に成型されることを特徴とする請求項１及び２に記載の
   バネ振動機構。
4. 【請求項４】 前記バネ駆動部材は圧電素子であること
   を特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のバネ振
   動機構。
5. 【請求項５】 前記駆動信号は磁界で与えられ、前記バ
   ネ駆動部材は前記磁界によって磁気力を受ける磁性体か
   ら成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記
   載のバネ振動機構。
6. 【請求項６】 前記駆動信号は磁界で与えられ、前記バ
   ネ駆動部材は前記磁界によって誘導電流を発生して磁気
   力を受けるコイルから成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バネ振動機構。
7. 【請求項７】 前記繊維強化樹脂の強化繊維は炭素繊維
   であることを特徴とする請求項１〜６に記載のバネ振動
   機構。
8. 【請求項８】 請求項１乃至７のいずれかに記載のバネ
   振動機構に反射ミラーを保持し、前記反射ミラーの振動
   により前記反射ミラーに入射する光を走査することを特
   徴とする光走査装置。