JPH11271661A - 共振光学装置、およびロッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、プリプレグによって形成した共振
子を用いて、高速でかつ広範囲に光を走査することが可
能で安価な共振光学装置を提供すること。 【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するように炭素繊維強化樹脂
のプリプレグで形成して、繊維が基台とミラー間で連続
し、あるいは、右回りと左回りの対のプリプレグをロッ
ドの軸中心に点対称に配して、固有振動数と振幅を大き
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。また、本発明は、周方向に繊維で強化され
たロッドと、これを用いた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徴を有す
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、本出願人は、繊維強化樹脂の共振
子を用いた共振ミラーを種々研究してきた。繊維強化樹
脂の共振子を用いた共振ミラーを用いた共振光学装置
は、機械的に駆動されるガルバノメータや従来の共振光
学装置に比べて高速で光を走査することが可能な上、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（ＨＭ
Ｄ）が近年提案されているが、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、走査速度が速いほど、また、走査幅が広いほど好ま
しいものである。

【０００４】一方、繊維強化樹脂をロッド状に形成する
方式としては、樹脂を含浸させながら複数本の繊維を芯
状のものに巻き付けて作成するフィラメントワインディ
ング法や、シート状の樹脂に繊維を並列に多数含有させ
たプリプレグを必要な形状に切り出し、芯状ものに巻き
付けて成形する方法等がある。

【０００５】従来の共振子４１を成形するプリプレグ４
１' の展開形状と、その共振子４１を用いた共振光学装
置の概略を図１０、図１１に示す。炭素繊維４５を並列
したシート状の炭素繊維強化樹脂であるプリプレグ４
１' は、図示する軸方向を心材の軸に平行に径方向に巻
きつけて形成する。従って、炭素繊維４５は共振子の軸
方向に対してθなる角度を有して円周方向を強化してい
る。ところが、図１１に示すように最も長い炭素繊維の
１つであるＢ−Ｂ' は基台４３の固定部と反射ミラー４
２の保持部の間（ねじりばね有効部）で連続していな
い。

【０００６】従来の共振子４１を形成する別のプリプレ
グ４１' の展開形状と、その共振子４１を用いた共振光
学装置の概略を図１２、図１３に示す。炭素繊維４５を
並列したシート状の炭素繊維強化樹脂であるプリプレグ
４１' は、図示する軸方向を心材の軸に平行に径方向に
巻きつけて形成する。従って、炭素繊維４５は共振子の
軸方向に対して９０°の角度を有して円周方向を強化し
ている。ところが、図１３に示すように炭素繊維４５
は、Ｂ−Ｂ' のように基台４３の固定部と反射ミラー４
２の保持部の間（ねじりばね有効部）で連続していな
い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】フィラメントワインデ
ィング法においては、繊維を巻き付けながら樹脂を作成
するための大掛かりな装置が必要な上、製造時間を長く
要するためコスト高になるという問題があった。

【０００８】また、プリプレグを必要な形状に切り出
し、芯状ものに巻き付けて成形する場合、繊維で強化し
たい方向（周方向）の繊維が短く切断されて強化繊維の
特性を十分に生かせず、高速かつ走査幅が広い共振光学
装置を得られないという問題があった。

【０００９】本発明は、プリプレグによって形成した共
振子を用いて、高速でかつ広範囲に光を走査することが
可能で安価な共振光学装置を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【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、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、共振子は、その周方向に繊維で強化された繊維強
化樹脂からなり、前記強化繊維の少なくとも一部あるい
は全部が前記基台の固定部から前記反射ミラーの保持部
の間で連続するものとする。

【００１１】強化繊維が基台の固定部から前記反射ミラ
ーの保持部の間で連続していることによって、共振子の
材料特性は強化繊維の特性をより享受し、高弾性かつ高
強度なものとなる。

【００１２】さらに共振子を、繊維を並列に並べたシー
ト状の繊維強化樹脂を巻き付けたものであって、前記シ
ート状の繊維強化樹脂は、共振子の軸方向ばね有効長さ
をL、巻き付け平均径をD、巻き付け回数をN、強化繊維
の方向と共振子の軸方向がなす角度をθとしたとき、次
の式を満たすものとするとよい。

【００１３】L×tanθ≦πDN共振子をこのようにするこ
とによって、シート中の繊維の少なくとも一部が基台の
固定部から反射ミラーの保持部の間で連続しているので
共振子の材料特性は強化繊維の特性をより享受し、高弾
性かつ高強度なものとなる。

【００１４】さらに共振子は、繊維を並列に並べたシー
ト状の繊維強化樹脂を巻き付けたものであって、前記シ
ート状の繊維強化樹脂は、繊維方向を一辺とする菱形形
状で、かつ、他辺となす鈍角の角度をα、強化繊維の方
向と共振子の軸方向がなす角度をθとしたとき、次式を
満たすものとするとよい。

【００１５】α−π／２＝θ共振子をこのようにするこ
とによって、シート中の繊維の全部が基台の固定部から
反射ミラーの保持部の間で連続しているので共振子の材
料特性は強化繊維の特性をより享受し、更に高弾性かつ
高強度なものとなる。

【００１６】さらに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、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、共
振子は、シート状の繊維強化樹脂を巻き付けたものであ
って、共振子の周方向に右回りと左回りの対の繊維強化
樹脂からなり、前記右回りと左回りの対の繊維強化樹脂
は、前記共振子の中心軸に点対称に巻くものとする。

【００１７】共振子は、右回りと左回りの対の強化繊維
が中心軸に点対称に巻かれているので、共振子の右回り
と左回りの固有振動数が一致し、駆動部のねじり振動に
対してより大きな振幅を得るように共振させることがで
きるものとなる。

【００１８】また周方向に繊維で強化された繊維強化樹
脂からなり、前記強化繊維の少なくとも一部あるいは全
部が連続しているロッドは非常に高い強度が得られる。

【００１９】そしてこのようなロッドと、前記ロッドの
先端に保持された反射ミラーと、前記ロッドに周方向の
振動を与える駆動部と、不動の基台を備え、前記ロッド
の基端を前記基台に固定し、前記ロッドを前記駆動部か
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は、そのロッドの強度によっ
て、高速でかつ広範囲に光を走査することが可能である
上に、安価に製造することができる。

【００２０】

【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。図１に共振光学装置
１の実施形態の外観を示す。共振光学装置１は、炭素繊
維強化樹脂（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１
１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１４ａ、１４ｂ、振動
子１４ａ、１４ｂの端部を上下方向から挟む永久磁石１
５ａ、１５ｂ、および振動子１４ａ、１４ｂが貫通する
コイル１６ａ、１６ｂより成る。

【００２１】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
など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。

【００２２】共振子１１の一部あるいは全部の炭素繊維
は、Ａ−Ａ'の一本を模式的に示すように基台１３の固
定部と反射ミラー１２の間で連続している。共振子１１
のねじりばねとしての有効域で炭素繊維が連続すること
によって、共振子１１のねじり弾性率（横弾性率）とね
じり強さ（許容せん断応力）が高弾性で高強度の炭素繊
維のそれにより近付くことになり、従って、固有振動数
と振動の限界の振幅を大きくすることになる。なお、Ｃ
ＦＲＰの炭素繊維含有率は高いほど炭素繊維強化樹脂の
材料特性はよいが、通常、体積比率５０％程度が限界で
ある。

【００２３】共振光学装置１の動作原理を説明する。鉄
製の振動子１４ａ、１４ｂはコイル１６ａ、１６ｂへの
通電により磁化するが、コイル１６ａ、１６ｂの巻方向
および通電方向は、振動子１４ａと１４ｂ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１５
ａ、１５ｂは図示した極性を有しており、磁化した振動
子１４ａ、１４ｂ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１６ａ、１６ｂに交流を通
じることにより、振動子１４ａ、１４ｂは、ロッド状の
共振子１１をその軸の周りにねじるように振動する。

【００２４】振動子１４ａ、１４ｂを振動させる交流の
周波数を共振子１１の固有振動数に略一致させることに
より、共振子１１は振動子１４ａ、１４ｂの振動に共振
し、その先端に取り付けられたミラー１２も振動するこ
とになる。共振子１１の基端は、基台１３によって固定
されているから、共振子１１の振動の振幅（振動角）は
先端で最大となり、ミラー１２もこれと同じ振幅で振動
する。ミラー１２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。

【００２５】図２に共振子１１を構成するシート状の炭
素繊維強化樹脂の形状を示す展開図を示す。共振子１１
は、炭素繊維２５を並列したシート状の炭素繊維強化樹
脂であるプリプレグ１１' を、図示の軸方向を心材の軸
に平行に径方向に巻きつけて形成する。従って、炭素繊
維２５は共振子の軸方向に対してθなる角度を有して円
周方向を強化している。この共振子の軸方向ばね有効長
さをL、巻き付け平均径をD、巻き付け回数をNとしたと
き、 L×tanθ≦πDN を満たすように設定している。このように設定すること
によって、炭素繊維２５の少なくとも一部は図１のＡ−
Ａ' で示すように基台１３の固定部と反射ミラー１２の
保持部の間（ねじりばね有効部）で連続している。連続
することによる効果は前述の通りである。

【００２６】図３に共振子１１を構成するシート状の炭
素繊維強化樹脂の別の形状を示す展開図を示す。炭素繊
維２５を並列したシート状の炭素繊維強化樹脂であるプ
リプレグ１１' は、繊維方向を一辺とし、かつ、他辺と
なす大きい方の角度をαとした菱形形状で、図示の軸方
向を心材の軸に平行に径方向に巻きつけて形成する。従
って、炭素繊維２５は共振子の軸方向に対してθなる角
度を有して円周方向を強化している。このように形成す
ることによって、炭素繊維２５の全部が図１のＡ−Ａ'
で示すように基台１３の固定部と反射ミラー１２の保持
部の間（ねじりばね有効部）で連続している。強化繊維
が連続することによる効果は前述の通りであり、より多
くの強化繊維が連続することは更に効果を増大させる。

【００２７】図４に本実施形態の共振子１１の断面図を
示す。１１' Ｒは炭素繊維が右回りに配列されたプリプ
レグで１１' Ｌは炭素繊維が左回りに配列されたプリプ
レグである。同一材料の一対のプリプレグ１１' Ｒ、１
１' Ｌは、共に軸方向に対して同一角の方向を繊維で強
化しており、軸中心に互いに点対称に構成されている。

【００２８】右回りと左回りの繊維をねじりばね（共振
子１１）の軸心に対して同等に構成することによって、
ねじりばねの右回りと左回りの固有振動数が一致する。
つまり、図１に示す振動子１６ａ、１６ｂをこの固有振
動数付近で振動にすることによって、右回りと左回りの
両方がねじり共振し、より大きな振幅を得られる。

【００２９】図５、図６、図７に本実施形態の別の共振
子１１の断面図を示す。

【００３０】図５に示す共振子において、１１' Ｒは炭
素繊維が右回りに配列されたプリプレグで１１' Ｌは炭
素繊維が左回りに配列されたプリプレグである。同一材
料の二対のプリプレグ１１' Ｒ、１１' Ｌは、共に軸方
向に対して同一角の方向を繊維で強化しており、軸中心
に互いに点対称に構成されている。

【００３１】図６に示す共振子１１において、１１' Ｒ
は強化繊維が右回りに配列されたプリプレグで１１' Ｌ
は強化繊維が左回りに配列されたプリプレグである。共
振子１１の軸に平行に繊維で強化した樹脂の心材１１'
Ｓに巻き付けた同一材料の一対のプリプレグ１１' Ｒ、
１１' Ｌは、共に軸方向に対して同一角の方向を繊維で
強化しており、軸中心に互いに点対称に構成されてい
る。

【００３２】図７に示す共振子１１において、１１' Ｒ
は強化繊維が右回りに配列されたプリプレグで１１' Ｌ
は強化繊維が左回りに配列されたプリプレグである。共
振子の軸に対して９０°方向に繊維で強化したプリプレ
グ１１' Ｑと、軸に平行な方向に繊維で強化したプリプ
レグ１１' Ｓに挟まれた同一材料の一対のプリプレグ１
１' Ｒ、１１' Ｌは、共に軸方向に対して同一角の方向
を繊維で強化しており、軸中心に互いに点対称に構成さ
れている。

【００３３】右回りと左回りの強化繊維をねじりばねの
軸心に対して同等に構成することによる効果は前述の通
りである。

【００３４】図８に本実施例の共振子１１の一部破断斜
視図を示す。図４、図５、図６、図７で示したように共
振子１１を構成する右回りと左回りの炭素繊維２５はそ
れぞれ共振子の軸に対して同一角の方向に強化している
ことがわかる。

【００３５】以上の実施例の共振子は炭素繊維強化樹脂
を用いたが、繊維で強化した樹脂であればよく、例えば
ボロン繊維やガラス繊維などの強化樹脂がある。

【００３６】本発明の共振光学装置を、走査式のＨＭＤ
に適用した例を図９に示す。図９において、（ａ）はＨ
ＭＤ３０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
なる。

【００３７】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。

【００３８】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、観察社の眼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。

【００３９】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。実施形態の共振光学装置１はこれらの要求
を満足するものである。

【００４０】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。

【００４１】

【発明の効果】本発明の共振光学装置によるときは、安
価に高速走査と広範囲の走査の両立が可能になる。ま
た、本発明のロッドは、高弾性かつ高強度なものであ
り、このロッドを共振装置に用いることにより、小型で
きわめて軽量な共振装置を提供することができる。さら
に、本発明によるロッドは耐久性が高く汎用性があるの
で、このロッドを用いた共振装置も耐久性が高く汎用性
のある装置となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態の共振光学装置の外観を示す斜視
図。

【図２】共振子を構成する材料の形状を示す展開図。

【図３】共振子を構成する材料の他の形状を示す展開
図。

【図４】共振子の断面の例を示す拡大図。

【図５】共振子の断面の他の例を示す拡大図。

【図６】共振子の断面の他の例を示す拡大図。

【図７】共振子の断面の他の例を示す拡大図。

【図８】共振子の構成の例を示す斜視図。

【図９】本発明の共振光学装置を用いた走査式ＨＭＤの
概略構成を示す図。

【図１０】従来の共振子を構成する材料の形状を示す展
開図。

【図１１】従来の共振子の強化繊維の例を示す図。

【図１２】従来の共振子を構成する材料の他の形状を示
す展開図。

【図１３】従来の共振子の強化繊維の他の例を示す図。

【符号の説明】

１ 共振光学装置 １１、１１ａ、１１ｂ 共振子 １１'、１１'Ｒ、１１'Ｌ、１１'Ｓ、１１'Ｑ プリプ
レグ １２ 反射ミラー １３ 基台 １４ａ、１４ｂ、１４ｃ 振動子（駆動部） １５ａ、１５ｂ 永久磁石 １６ａ、１６ｂ コイル ２５ 炭素繊維 ３０ 走査式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 (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、その周方向に繊維で強化された繊維強化
   樹脂からなり、前記強化繊維の少なくとも一部あるいは
   全部が前記基台の固定部から前記反射ミラーの保持部の
   間で連続していることを特徴とする共振光学装置。
2. 【請求項２】 前記共振子は、繊維を並列に並べたシー
   ト状の繊維強化樹脂を巻き付けたものであって、前記シ
   ート状の繊維強化樹脂の形状は、共振子の軸方向ばね有
   効長さをL、巻き付け平均径をD、巻き付け回数をN、強
   化繊維の方向と共振子の軸方向がなす角度をθとしたと
   き、 L×tanθ≦πDN を満たす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】 前記共振子は、繊維を並列に並べたシー
   ト状の繊維強化樹脂を巻き付けたものであって、前記シ
   ート状の繊維強化樹脂は、繊維方向を一辺とする菱形形
   状で、かつ、他辺となす大きい方の角度をα、強化繊維
   の方向と共振子の軸方向がなす角度をθとしたとき、 α−π／２＝θ を満たす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】 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、シート状の繊維強化樹脂を巻き付けたも
   のであって、共振子の周方向に右回りと左回りの一対以
   上のシート状の繊維強化樹脂からなり、繊維強化樹脂
   は、前記共振子の中心軸に点対称に配していることを特
   徴とする共振光学装置。
5. 【請求項５】 周方向に繊維で強化された繊維強化樹脂
   からなり、前記強化繊維の少なくとも一部あるいは全部
   が連続していることを特徴とするロッド。
6. 【請求項６】 請求項５に記載のロッドと、 前記ロッドの先端に保持された反射ミラーと、 前記ロッドに周方向の振動を与える駆動部と、 不動の基台を備え、前記ロッドの基端を前記基台に固定
   し、前記ロッド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。