(57)【要約】【課題】小型化を実現するとともに、二次元で高トルクを発生することにより、二次元の大きな偏向角度を得ることができる電磁共振型の光スキャナを提供する。【解決手段】固定部１０に回転可能に支持された可動部３０の反射面で入射光を反射させることにより、光を走査させる光スキャナ１において、可動部３０は、２軸のジンバル機構により上記反射面とともに回転する構成を有し、固定部１０は、永久磁石によって発生する定常磁束と、コイルに電流を流すことによって発生する駆動磁束との合成により、可動部３０を回転させる電磁トルクを発生させる構成を有し、ｙ軸まわりの電磁トルクを発生させる駆動磁束は、可動部３０の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧が上記コイルに与えられることにより発生し、ｘ軸まわりの電磁トルクを発生させる駆動磁束は、段階的に変化する直流電圧が上記コイルに与えられることにより発生している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部に回転可能に支持された可動部の反射面で入射光を反射させることにより、光を走査させる光スキャナにおいて、
上記可動部は、２軸のジンバル機構により上記反射面とともに回転する構成を有し、
上記固定部は、永久磁石によって発生する定常磁束と、コイルに電流を流すことによって発生する駆動磁束との合成により、上記可動部を回転させる電磁トルクを発生させる構成を有し、
上記可動部を一方の軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、上記可動部の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧が上記コイルに与えられることにより発生し、
上記可動部を他方の軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、段階的に変化する直流電圧が上記コイルに与えられることにより発生していることを特徴とする光スキャナ。
【請求項２】
固定部に回転可能に支持された可動部の反射面で入射光を反射させることにより、光を走査させる光スキャナにおいて、
上記可動部は、
トーションバーにより回転する第１回転軸、および、該第１回転軸に直交し別のトーションバーにより回転する第２回転軸が同一平面上にあるジンバル機構により回転し、該第１回転軸と該第２回転軸との直交点を含むように形成された磁性板と、
上記磁性板に設けられた上記反射面とを備え、上記直交点に重心が位置するように構成されており、
上記固定部は、
自身の中心軸上に上記直交点が位置し、該中心軸を含む第１平面上に上記第１回転軸が位置し、該中心軸を含みかつ該第１平面に直交する第２平面上に上記第２回転軸が位置するとともに、上記反射面が上側に露出するように、上記可動部を回転可能に支持する磁性体支柱と、
上記磁性体支柱の上記可動部を支持する側とは反対側の面に固定された永久磁石と、
上記第１平面において上記中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有するとともに、上記第２平面において上記中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有し、上記磁性体支柱が上側に位置するように上記永久磁石が固定された磁性体本体と、
電流が流れることで、上記磁性体本体の上記第１平面の断面形状をなす部分を通る第１磁束を発生させるように、該磁性体本体に巻き付けられた第１コイルと、
電流が流れることで、上記磁性体本体の上記第２平面の断面形状をなす部分を通る第２磁束を発生させるように、該磁性体本体に巻き付けられた第２コイルとを備え、
上記第１コイルには、上記可動部の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧が与えられ、上記第２コイルには、段階的に変化する直流電圧が与えられることを特徴とする光スキャナ。
【請求項３】
上記磁性体本体の上記中心軸に平行な内側の面は、上記可動部が回転するときの端部の軌道に対し一定の隙間を形成するような形状を有していることを特徴とする請求項２に記載の光スキャナ。
【請求項４】
上記磁性体本体の上記中心軸に平行な内側の面に、上記可動部が回転するときの端部の軌道に対し一定の隙間を形成するような形状の延長磁性体が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の光スキャナ。
【請求項５】
上記磁性体本体の上記中心軸に平行な内側の面は、内側に下りるような階段形状を有していることを特徴とする請求項２に記載の光スキャナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁共振型の光スキャナに関するものであり、特に、電磁力と板バネのねじれ共振とを利用してミラーを振動させることによって、光を二次元に走査させることができる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光スキャナとは、レーザ光などの光を走査させるデバイスであり、バーコードリーダや、レーザープリンタ、計測機器、ディスプレイなどへ広く応用されている。光スキャナは、光を走査させるミラーの駆動方式の違いにより、ポリゴンミラー型、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）型、および共振型の３つのタイプに分類できる。
【０００３】
ポリゴンミラー型は、アルミ板やガラス板を回転軸に平行な多面体にカット・研磨・コートして、各面に反射面を施したミラーを、モータで回転することによって光を走査させる方式である。その最大偏向角度および走査周波数は、モータの回転数を一定とすれば、ミラーの反射面の数に依存する。ポリンゴンミラー型の光スキャナは、その優れた最大偏向角度および走査周波数から、現在最も幅広く利用されている。しかし、モータを用いるため、小型化および省電力化に限界があるという課題がある。
【０００４】
ＭＥＭＳ型は、主に静電力によるものが主である駆動方式である。ＭＥＭＳ型は、ＭＥＭＳ技術により小型化には非常に有効である。しかし、ＭＥＭＳ型の光スキャナは、大きなトルクを得ることができないため、偏向角度が小さい、すなわち、光の走査角度を大きく取ることが難しいという課題がある．
共振型は、板バネのねじれ運動による共振現象を利用しミラーを振動（回転）させることによって、光を走査させる方式である。共振型は、モータを回転させるポリゴンミラー型に比べて、小型かつ省電力で、摩擦箇所が少ないために、長寿命などの利点はある。例えば特許文献１には、小型化および軽量化を図った電磁共振型の光スキャナが記載されている。しかし、共振型は、偏向角度を、ＭＥＭＳ型と比較して優位であるものの大きくとることができない。また、特許文献１に記載の光スキャナでは、その構造上、可動部と固定部とのギャップが、回転角の増加とともに増加することから、駆動時において変動するため、トルクが大きく減少し、大きな偏向角度を確保することが困難である。
【０００５】
さて、今後、一次元から二次元に走査可能な光スキャナが非常に期待されている。現状では、ポリゴンミラーを２つのモータを用いて光を走査させる方式が一般的である。
【０００６】
図５は、従来のポリゴンミラー型の二次元走査式光スキャナの構成を示す図である。
【０００７】
図５に示すように、従来のポリゴンミラー型の二次元走査式光スキャナは、モータ１０３により回転するミラー１０２と、モータ１０５により回転するミラー１０４とが、互いの反射面が対向するように配置され、レーザ１０１からのレーザ光がミラー１０２の反射面に出射される構成を有している。この構成によれば、ミラー１０２およびミラー１０４の反射面の数を適宜設定し、モータ１０３およびモータ１０５の回転数を制御することにより、レーザ光を二次元的に走査させることが可能となっている。
【０００８】
しかしながら、上記のようなポリゴンミラー型の二次元走査式光スキャナでは、２つのモータ１０３およびモータ１０５を使用しているため、さらなる大型化および消費電力の増大が生じている。
【０００９】
一方、ＭＥＭＳ型の光スキャナなどにおいても、二次元に走査可能な構成についての開発が行われている。ＭＥＭＳ型の二次元走査式光スキャナとしては、例えば特許文献２に、レーザ光のスキャニングシステムなどに適用するガルバノミラーが記載されている。
【００１０】
図６は、従来のＭＥＭＳ型の二次元走査式光スキャナの構成を示す図である。
【００１１】
図６に示すように、従来のＭＥＭＳ型の二次元走査式光スキャナは、ミラー１１１、４つの永久磁石１１２〜１１５、４つのトーションバー１１６〜１１９、固定板１２０、外側可動板１２１、並びに内側可動板１２２により構成されている。ミラー１１１は、内側可動板１２２の上に設けられている。
【００１２】
この構成によれば、ローレンツ力が生じ、トーションバー１１６・１１８がねじれ運動を繰り返すことで、内側可動板１２２が振動することによって、ミラー１１１が振動する。また、ローレンツ力が生じ、トーションバー１１７・１１９がねじれ運動を繰り返すことで、外側可動板１２１が振動することによって、ミラー１１１が振動する。このように、各トーションバー１１６〜１１９がねじれ運動を繰り返すことによって、ミラー１１１を二次元に振動させることが可能となっている。
【特許文献１】特開２００７−９４１０９号公報（平成１９年４月１２日公開）
【特許文献２】特開平７−１７５００５号公報（１９９５年７月１４日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来のＭＥＭＳ型の二次元走査式光スキャナでは、従来のポリゴンミラー型の二次元走査式光スキャナと比較して、小型化が可能であるものの、一次元での走査と同様にトルクが小さいため、偏向角度が小さいという問題が残ったままとなっている。また、ＭＥＭＳ型の光スキャナには、強磁性体を組み込むことができないという問題点がある。
【００１４】
それゆえ、強磁性体を組み込むことが可能な共振型で、小型化を実現するとともに、大きな偏向角度でミラーを二次元に振動させることが可能な光スキャナの開発が望まれている。
【００１５】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、小型化を実現するとともに、二次元で高トルクを発生することにより、二次元の大きな偏向角度を得ることができる電磁共振型の光スキャナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の光スキャナは、上記課題を解決するために、固定部に回転可能に支持された可動部の反射面で入射光を反射させることにより、光を走査させる光スキャナにおいて、上記可動部は、２軸のジンバル機構により上記反射面とともに回転する構成を有し、上記固定部は、永久磁石によって発生する定常磁束と、コイルに電流を流すことによって発生する駆動磁束との合成により、上記可動部を回転させる電磁トルクを発生させる構成を有し、上記可動部を一方の軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、上記可動部の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧が上記コイルに与えられることにより発生し、上記可動部を他方の軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、段階的に変化する直流電圧が上記コイルに与えられることにより発生していることを特徴としている。
【００１７】
上記の構成によれば、コイルに電流を流すことによって発生する駆動磁束は、永久磁石によって発生する定常磁束と逆方向に発生していると打ち消しあって弱くなり、永久磁石によって発生する定常磁束と同一方向に発生していると合成して強くなる。よって、可動部と固定部との間の吸引力が、一方では増加して、他方では減少する。これにより、電磁トルクが発生し、可動部が回転する。
【００１８】
また、可動部を一方の軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、コイルに交流電圧が与えられることにより発生するので、その発生方向は交互に切り替わる。これにより、可動部はねじれ運動を繰り返す。そして、交流電圧の周波数は、可動部の共振周波数に合わせられていることにより、可動部は共振駆動を行うので、回転角度（偏向角度）を増幅することが可能となっている。
【００１９】
可動部を他方の軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、コイルに段階的に変化する直流電圧が与えられることにより発生するので、発生方向は一定で、磁束の強さが段階的に変化する。これにより、可動部は段階的に回転する。
【００２０】
このように、可動部が大きな角度で二次元で回転することにより、反射面も大きな角度で二次元で回転することが可能となる。また、従来のポリゴンミラー型の二次元光スキャナと比較して、モータを用いていないので、小型化が可能となる。したがって、小型化を実現するとともに、二次元で高トルクを発生させることにより、二次元の大きな偏向角度を得ることが可能となる。
【００２１】
また、本発明の光スキャナは、上記課題を解決するために、固定部に回転可能に支持された可動部の反射面で入射光を反射させることにより、光を走査させる光スキャナにおいて、上記可動部は、トーションバーにより回転する第１回転軸、および、該第１回転軸に直交し別のトーションバーにより回転する第２回転軸が同一平面上にあるジンバル機構により回転し、該第１回転軸と該第２回転軸との直交点を含むように形成された磁性板と、上記磁性板に設けられた上記反射面とを備え、上記直交点に重心が位置するように構成されており、上記固定部は、自身の中心軸上に上記直交点が位置し、該中心軸を含む第１平面上に上記第１回転軸が位置し、該中心軸を含みかつ該第１平面に直交する第２平面上に上記第２回転軸が位置するとともに、上記反射面が上側に露出するように、上記可動部を回転可能に支持する磁性体支柱と、上記磁性体支柱の上記可動部を支持する側とは反対側の面に固定された永久磁石と、上記第１平面において上記中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有するとともに、上記第２平面において上記中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有し、上記磁性体支柱が上側に位置するように上記永久磁石が固定された磁性体本体と、電流が流れることで、上記磁性体本体の上記第１平面の断面形状をなす部分を通る第１磁束を発生させるように、該磁性体本体に巻き付けられた第１コイルと、電流が流れることで、上記磁性体本体の上記第２平面の断面形状をなす部分を通る第２磁束を発生させるように、該磁性体本体に巻き付けられた第２コイルとを備え、上記第１コイルには、上記可動部の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧が与えられ、上記第２コイルには、段階的に変化する直流電圧が与えられることを特徴としている。
【００２２】
上記の構成によれば、磁性体本体には、永久磁石により、第１平面において中心軸に対し左右対称な位置に磁極が形成されるとともに、第２平面において中心軸に対し左右対称な位置に磁極が形成される。これにより、第１平面では、永久磁石から磁性体支柱および可動部を順次経由して磁極に向かう方向の磁束が、中心軸に対し左右対称に発生する。また、第２平面では、永久磁石から磁性体支柱および可動部を順次経由して磁極に向かう方向の磁束が、中心軸に対し左右対称に発生する。よって、第１磁束および第２磁束は、永久磁石により磁束が発生している状態において発生することになる。
【００２３】
ここで、第１平面において説明すると、磁性体本体は、中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有しているので、第１磁束は、磁性体本体および可動部を通るように発生する。このため、コイルによる第１磁束は、片側の永久磁石による磁束とは打ち消しあって弱くなり、もう片側の永久磁石による磁束とは合成して強くなる。よって、可動部と固定部との間の吸引力が、一方では増加して、他方では減少する。これにより、電磁トルクが発生し、可動部が回転する。
【００２４】
また、第１磁束は、第１コイルに交流電圧が与えられることにより発生するので、その発生方向は交互に切り替わる。これにより、可動部はねじれ運動を繰り返す。そして、交流電圧の周波数は、可動部の共振周波数に合わせられていることにより、可動部は共振駆動を行うので、回転角度（偏向角度）を増幅することが可能となっている。
【００２５】
第２平面においても、同様の原理により可動部が回転する。そして、第２磁束は、第２コイルに段階的に変化する直流電圧が与えられることにより発生するので、発生方向は一定で、磁束の強さが段階的に変化する。これにより、可動部は段階的に回転する。
【００２６】
このように、可動部が大きな角度で二次元で回転することにより、反射面も大きな角度で二次元で回転することが可能となる。また、従来のポリゴンミラー型の二次元光スキャナと比較して、モータを用いていないので、小型化が可能となる。したがって、小型化を実現するとともに、二次元で高トルクを発生させることにより、二次元の大きな偏向角度を得ることが可能となる。
【００２７】
また、本発明の光スキャナは、上記磁性体本体の上記中心軸に平行な内側の面は、上記可動部が回転するときの端部の軌道に対し一定の隙間を形成するような形状を有していることが好ましい。
【００２８】
または、本発明の光スキャナは、上記磁性体本体の上記中心軸に平行な内側の面に、上記可動部が回転するときの端部の軌道に対し一定の隙間を形成するような形状の延長磁性体が設けられていることが好ましい。
【００２９】
上記の各構成によれば、可動部と固定部との隙間が一定となるので、永久磁石から磁性体支柱および可動部を順次経由して磁極に向かう方向の磁束を、効率良く発生させることが可能となる。よって、トルクの減少を防止し、大きな偏向角度を確保することが可能となる。
【００３０】
また、本発明の光スキャナは、上記磁性体本体の上記中心軸に平行な内側の面は、内側に下りるような階段形状を有していることが好ましい。
【００３１】
上記の構成によれば、第２磁束のように、磁束の強さが段階的に変化することにより、可動部が段階的に回転する場合、各段階において、可動部を安定して落着させることが可能となる。
【発明の効果】
【００３２】
以上のように、本発明の光スキャナは、可動部は、２軸のジンバル機構により上記反射面とともに回転する構成を有し、上記固定部は、永久磁石によって発生する定常磁束と、コイルに電流を流すことによって発生する駆動磁束との合成により、可動部を回転させる電磁トルクを発生させる構成を有し、上記可動部を一方の軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、上記可動部の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧が上記コイルに与えられることにより発生し、上記可動部を他方の軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、段階的に変化する直流電圧が上記コイルに与えられることにより発生している構成である。
【００３３】
また、本発明の光スキャナは、可動部は、トーションバーにより回転する第１回転軸、および、該第１回転軸に直交し別のトーションバーにより回転する第２回転軸が同一平面上にあるジンバル機構により回転し、該第１回転軸と該第２回転軸との直交点を含むように形成された磁性板と、上記磁性板に設けられた上記反射面とを備え、上記直交点に重心が位置するように構成されており、上記固定部は、自身の中心軸上に上記直交点が位置し、該中心軸を含む第１平面上に上記第１回転軸が位置し、該中心軸を含みかつ該第１平面に直交する第２平面上に上記第２回転軸が位置するとともに、上記反射面が上側に露出するように、上記可動部を回転可能に支持する磁性体支柱と、上記磁性体支柱の上記可動部を支持する側とは反対側の面に固定された永久磁石と、上記第１平面において上記中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有するとともに、上記第２平面において上記中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有し、上記磁性体支柱が上側に位置するように上記永久磁石が固定された磁性体本体と、電流が流れることで、上記磁性体本体の上記第１平面の断面形状をなす部分を通る第１磁束を発生させるように、該磁性体本体に巻き付けられた第１コイルと、電流が流れることで、上記磁性体本体の上記第２平面の断面形状をなす部分を通る第２磁束を発生させるように、該磁性体本体に巻き付けられた第２コイルとを備え、上記第１コイルには、上記可動部の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧が与えられ、上記第２コイルには、段階的に変化する直流電圧が与えられる構成である。
【００３４】
それゆえ、可動部が大きな角度で二次元で回転することにより、反射面も大きな角度で二次元で回転することができる。また、従来のポリゴンミラー型の二次元光スキャナと比較して、モータを用いていないので、小型化ができる。したがって、小型化を実現するとともに、二次元で高トルクを発生させることにより、二次元の大きな偏向角度を得ることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明の一実施形態について図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００３６】
（二次元電磁共振型光スキャナの構成）
図１は、本実施の形態の二次元電磁共振型光スキャナ１の一構成例を示す斜視図である。図２は、図１に示す二次元電磁共振型光スキャナ１における、（ａ）は固定部１０の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は可動部３０の構成を示す斜視図である。
【００３７】
図１および図２に示すように、本実施の形態の二次元電磁共振型光スキャナ１（以下、光スキャナ１と略記する）は、固定部１０と、固定部１０に支持されながら動作する可動部３０とを備えている。なお、光スキャナ１は、固定部１０の磁性体支柱２１の中心軸を中心として構成している。
【００３８】
図２（ａ）に示すように、固定部１０は、コア１１、４つのコイル１２〜１５、延長磁極１６・１７、非磁性体１８・１９、永久磁石２０、並びに磁性体支柱２１により構成されている。
【００３９】
コア１１は、磁性材料（ＳＵＹ）からなる多面体（固定鉄心）である。コア１１は、上面視が十字型の多面体において、４つの端部を上方向に直角に折り曲げたような形状を有している。言い換えると、コア１１は、中心軸を含む第１平面において、中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有するとともに、中心軸を含みかつ第１平面に直交する第２平面において、中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有している。
【００４０】
ここで、上面視で十字型を形成する一方の方向を、光スキャナ１全体としてのｘ方向とし、他方の方向（ｘ方向に直交する方向）をｙ方向とする。また、ｘｙ平面に直交する方向をｚ方向とする。さらに、ｚ方向のうち、コア１１のｚ方向に平行な部分が立ち上がっている方向を、光スキャナ１全体としての上側とする。
【００４１】
コア１１における、上面視で十字型を形成する４つの部分には、４つのコイル１２〜１５（例えば各１００Ｔ）がそれぞれ巻かれている。また、コイル１２〜１５には、コイル１２〜１５に電流を流すように、電圧を与えることが可能な部材（図示せず）が接続されている。
【００４２】
コア１１におけるｚ方向に平行に立ち上がっている４つの部分は、対向するもの同士が同じ高さを有している。そして、一方の対向するものの高さは、もう一方の対向するものの高さと比較して、低くなっている。図２（ａ）では、ｘ方向に沿って対向する部分の上面の位置が、ｙ方向に沿って対向する部分の上面の位置よりも低くなっている。
【００４３】
コア１１におけるｙ方向に沿って対向する２つの部分、すなわち上面の位置が高い方の２つの部分は、先端部における中心軸に平行な内側の側面が、球面凹形状に形成されている。球面凹形状の詳細な大きさは、後述するように可動部３０がｘ軸に基づき回転するときの端部の軌道に対し、一定のギャップ（隙間）を形成するように決められる。
【００４４】
コア１１におけるｘ方向に沿って対向する２つの部分、すなわち上面の位置が低い方の２つの部分は、先端部に、延長磁極１６・１７がそれぞれ設けられるとともに、非磁性体１８・１９がそれぞれ設けられている。
【００４５】
延長磁極１６・１７は、コア１１と同一の材料からなり、低い方の上面と一体面となるように、先端から内側かつｘ方向に伸びた形状で形成されている。延長磁極１６・１７における、内側に位置し固定されていない端部は、内側の側面が球面凹形状に形成されている。球面凹形状の詳細な大きさは、後述するように可動部３０がｙ軸に基づき回転するときの端部の軌道に対し、一定のギャップ（隙間）を形成するように決められる。
【００４６】
非磁性体１８・１９は、低い方の上面を底面として所定の高さを有する角柱の形状を有している。非磁性体１８・１９の高さは、固定部１０に磁束が流れないほど充分な磁気抵抗を有するギャップを確保できる高さが必要である。または、後述の可動部３０のトーションバー３５・３６を非磁性体とする。
【００４７】
永久磁石２０は、円柱形状を有しており、コア１１における上面視で十字型が交わった部分の上に、中心軸と同心になるように設けられている。そして、永久磁石２０は、Ｓ極が下側、Ｎ極が上側に位置するように固定部１０の中心に設けられ、ｚ軸方向に着磁されている（例えば残留磁束密度１．４Ｔ）。
【００４８】
磁性体支柱２１は、先端が円錐状の円柱形状を有している。磁性体支柱２１は、尖端が上側に位置するように、永久磁石２０の上に設けられている。この尖端により、可動部３０が回転可能に支持される。
【００４９】
図２（ｂ）に示すように、可動部３０は、外側磁性体３１、内側磁性体３２、並びに４つのトーションバー３３〜３６により構成されている。なお、可動部３０では、ミラーが、内側磁性体３２の中央部分の上に設けられているが、図示は省略している。ミラーは、内側磁性体３２の表面領域に収まるような形状であればよい。
【００５０】
外側磁性体３１は、上面視で中空長方形の形状を有している。そして、長手方向の外側の両側面に、トーションバー３５・３６がそれぞれ設けられている。
【００５１】
内側磁性体３２は、上面視で長方形の形状を有している。そして、長手方向の両側面に、トーションバー３３・３４がそれぞれ設けられている。また、トーションバー３３・３４は、一方の端が内側磁性体３２にそれぞれ接続されるとともに、他方の端が、外側磁性体３１の短手方向の内側の両側面にそれぞれ接続されている。つまりは、トーションバー３５・３６により回転する第１回転軸と、トーションバー３３・３４により回転する第２回転軸とが、同一平面上で直交している。
【００５２】
外側磁性体３１、内側磁性体３２、並びに、内側に位置するトーションバー３３・３４は、磁性材料（ＳＵＹ）からなる。外側に位置するトーションバー３５・３６は、非磁性体である。
【００５３】
このように、可動部３０では、トーションバー３５・３６により、外側磁性体３１、トーションバー３３・３４、並びに内側磁性体３２が回転するとともに、外側磁性体３１の内側で、トーションバー３３・３４により、内側磁性体３２が回転するように構成されている。よって、可動部３０は、平面状の板バネとなるように、２軸のジンバル機構により回転する構成を有している。また、可動部３０は、第１回転軸と第２回転軸との直交点に、重心が位置するように構成されている。
【００５４】
上記構成を有する固定部１０および可動部３０は、図１に示すように、磁性体支柱２１の尖端に、内側磁性体３２の中心が当てられて、可動部３０が固定部１０に支持される。すなわち、磁性体支柱２１の中心軸上に直交点が位置するように支持される。またこのとき、トーションバー３５・３６による第１回転軸が、上記第１平面に位置し、トーションバー３３・３４による第２回転軸が、上記第２平面に位置するとともに、ミラーが上側に露出している。
【００５５】
さらに、可動部３０を固定部１０に載せたとき、トーションバー３５・３６は、非磁性体１８・１９に接触している。一方、外側磁性体３１の端部は、コア１１と接触せず、内側磁性体３２の端部は、延長磁極１６・１７と接触しない。
【００５６】
ここで、光スキャナ１における各幅の一例について、以下に挙げる。
コア１１の下面から非磁性体１８の上面までの高さ：１１ｍｍ
コア１１における上面の位置が高い方の２つの部分の最外形の幅：２９ｍｍ
コア１１における上面の位置が低い方の２つの部分の最外形の幅：３３ｍｍ
可動部３０の厚み：０．２ｍｍ
外側磁性体３１の長手方向の長さ：２３ｍｍ
内側磁性体３２の長手方向の長さ：６．６ｍｍ。
【００５７】
（二次元電磁共振型光スキャナの動作原理）
次に、上記構成を有する光スキャナ１の動作原理について説明する。光スキャナ１は、ｘ軸まわりの動作と、ｙ軸まわりの動作とに大別され、コイル１２〜１５に電圧が与えられることにより駆動される。
【００５８】
図３は、図１に示した光スキャナ１のＰ断面を示すものであり、ｘ軸まわりの駆動原理を説明するための図である。
【００５９】
コイル１２・１３に電圧が与えられていない停止状態では、図２（ａ）に示すように、永久磁石２０により、コア１１の先端部に磁極Ａ〜磁極Ｄがそれぞれ形成される。これにより、図３に実線で示すように、永久磁石２０による磁束（定常磁束）が、中心軸に対し左右対称であって、異なる向きに発生している。詳細には、一方の磁束は、永久磁石２０のＮ極から、磁性体支柱２１、可動部３０（詳細には、内側磁性体３２、トーションバー３４、および外側磁性体３１）、並びに、コイル１２が設けられている側のコア１１を順次経由して、永久磁石２０のＳ極に向かう方向に発生している。他方の磁束は、永久磁石２０のＮ極から、磁性体支柱２１、可動部３０（詳細には、内側磁性体３２、トーションバー３３、および外側磁性体３１）、並びに、コイル１３が設けられている側のコア１１を順次経由して、永久磁石２０のＳ極に向かう方向に発生している。よって、磁束は、左右均等に流れ、バランスが保たれている。
【００６０】
続いて、コイル１２・１３に交流電圧（正弦波交流電圧）を与え、図３に示すような方向でコイル１２・１３に交流電流を流す。この駆動状態では、破線で示すように、コイル１２・１３に流れる電流により磁束（駆動磁束、第２磁束）が発生する。詳細には、コイル１２が設けられている側のコア１１から、可動部３０（詳細には、外側磁性体３１、トーションバー３４、内側磁性体３２、トーションバー３３、および外側磁性体３１）を経由して、コイル１３が設けられている側のコア１１に向かう方向に、磁束が発生する。
【００６１】
それゆえ、コイル１３が設けられている側のコア１１側（図中の右側）では、磁束が合成して強められる。一方、コイル１２が設けられている側のコア１１側（図中の左側）では、磁束が打ち消しあって弱められる。よって、可動部３０と固定部１０との間の吸引力は、一方では増加して、他方では減少する。これにより、左右のバランスが崩れ、電磁トルクが発生し、可動部３０が、コイル１３が設けられている側に回転する。
【００６２】
また、交流電流が反転すると、磁束が逆向きに発生するので、可動部３０は、反対方向、すなわちコイル１２が設けられている側に回転する。このように、コイル１２・１３に交流電流を流すことにより、可動部３０は、トーションバー３５・３６からなる第１回転軸を用いて、ねじれ運動を繰り返す。
【００６３】
図４は、図１に示した光スキャナ１のＱ断面を示すものであり、ｙ軸まわりの駆動原理を説明するための図である。
【００６４】
コイル１４・１５に電圧が与えられていない停止状態では、実線で示すように、永久磁石２０により、磁束（定常磁束）が、中心軸に対し左右対称であって、両側で異なる向きに発生している。詳細には、一方の磁束は、永久磁石２０のＮ極から、磁性体支柱２１、可動部３０（詳細には内側磁性体３２）、延長磁極１６、および、コイル１４が設けられている側のコア１１を順次経由して、永久磁石２０のＳ極に向かう方向に発生している。他方の磁束は、永久磁石２０のＮ極から、磁性体支柱２１、可動部３０（詳細には内側磁性体３２）、延長磁極１７、および、コイル１５が設けられている側のコア１１を順次経由して、永久磁石２０のＳ極に向かう方向に発生している。よって、磁束は、左右均等に流れ、バランスが保たれている。
【００６５】
続いて、コイル１４・１５に交流電圧を与え、図４に示すような方向でコイル１４・１５に交流電流を流す。この駆動状態では、破線で示すように、コイル１４・１５に流れる電流により磁束（駆動磁束、第１磁束）が発生する。詳細には、コイル１４が設けられている側のコア１１から、延長磁極１６、可動部３０（詳細には内側磁性体３２）、および、延長磁極１７を順次経由して、コイル１５が設けられている側のコア１１に向かう方向に、磁束が発生する。
【００６６】
それゆえ、コイル１５が設けられている側のコア１１側（図中の右側）では、磁束が合成して強められる。一方、コイル１４が設けられている側のコア１１側（図中の左側）では、磁束が打ち消しあって弱められる。よって、可動部３０と固定部１０との間の吸引力は、一方では増加して、他方では減少する。これにより、左右のバランスが崩れ、電磁トルクが発生し、可動部３０が、コイル１５が設けられている側に回転する。
【００６７】
また、交流電流が反転すると、磁束が逆向きに発生するので、可動部３０は、反対方向、すなわちコイル１４が設けられている側に回転する。このように、コイル１４・１５に交流電流を流すことにより、可動部３０は、トーションバー３３・３４からなる第２回転軸を用いて、ねじれ運動を繰り返す。
【００６８】
このように、光スキャナ１では、コイル１２〜１５に与えられた電流の方向に応じて、可動部３０が、ｘ軸まわりとｙ軸まわりとにおいて回転する（ねじれ運動を行う）。よって、可動部３０に設けられたミラーも共に回転するので、ミラーを二次元に回転させることが可能となる。
【００６９】
つまりは、永久磁石２０によって生じる磁束と、コイル１２〜１５に電圧を印加することにより生じる磁束との合成により、コア１１と可動部３０との間のギャップ部の磁束バランスを崩し、可動部３０である磁性体の板バネと、コア１１である固定鉄心との間に、電磁トルクを生じさせている。
【００７０】
また、コイル１２〜１５に与える交流電圧を、可動部３０の共振周波数に合わせた周波数とすることによって、可動部３０の機械共振を発生させ、回転角度を増幅することが可能となる。
【００７１】
なお、コイル１２〜１５には、交流電圧に限らず、直流電圧を与えることもできる。直流電圧を与える場合は、コイルにより発生する磁束が一定方向に固定されるので、可動部３０を回転した状態、すなわち所定の傾きで安定させることが可能となる。直流電圧の値に応じて、可動部３０の回転角度を制御することが可能となる。
【００７２】
（二次元電磁共振型光スキャナの使用例）
次に、光スキャナ１の用途に応じた使用例について説明する。光スキャナ１は、例えば、レーザープリンタや、各種光計測機器、携帯型プロジェクターなどの情報機器などに応用される。各種機器において、光スキャナ１は、対象領域を光で走査する。
【００７３】
２次元の走査の場合、何れか一方の方向を高速に走査するとともに、他方の方向を低速に走査することが多い。例えば、主走査方向と副走査方向とを決めて、対象領域を走査する方法がある。つまりは、主走査方向を１行走査すると、副走査方向を１行移動し、その行を主走査方向に走査することを繰り返すことにより、全体を走査する方法である。このような方法では、主走査方向では、ミラーを高速に回転させ、副走査方向では、ミラーを低速または段階的に回転させることが望まれる。
【００７４】
光スキャナ１では、ｙ軸まわりの回転を主走査方向に適用し、ｘ軸まわりの回転を副走査方向に適用する。すなわち、高速回転が必要な方向は、ｙ軸まわりの回転を使用することが望ましい。これは、ｙ軸まわりの回転では、可動部３０において小型の内側磁性体３２のみが回転するので、高周波数で高速に回転させやすいためである。
【００７５】
この場合、コイル１４・１５に、可動部３０の共振周波数に合わせた高周波数の交流電圧を与えるとともに、コイル１２・１３には、段階的に変化する直流電圧を与える。これにより、コイル１４・１５による磁束は、可動部３０に高速なねじれ運動を繰り返させ、共振駆動を行わせる。また、コイル１２・１３による磁束は、可動部３０を段階的に回転させる。よって、主走査方向では、ミラーを高速に回転させて、高速走査を可能とし、副走査方向では、ミラーを段階的に回転させることが可能となる。
【００７６】
以上のように、光スキャナ１は、固定部１０に回転可能に支持された可動部３０のミラーで入射光を反射させることにより、光を走査させる光スキャナである。可動部３０は、２軸のジンバル機構によりミラーとともに回転する構成を有している。固定部１０は、永久磁石２０によって発生する定常磁束と、コイル１２〜１５に電流を流すことによって発生する駆動磁束との合成により、可動部３０を回転させる電磁トルクを発生させる構成を有している。可動部３０をｙ軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、可動部３０の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧がコイル１４・１５に与えられることにより発生する。可動部３０をｘ軸で回転させる電磁トルクを発生させる駆動磁束は、段階的に変化する直流電圧がコイル１２・１３に与えられることにより発生する。
【００７７】
より詳細には、
可動部３０は、
トーションバー３５・３６により回転する第１回転軸、および、第１回転軸に直交し別のトーションバー３３・３４により回転する第２回転軸が同一平面上にあるジンバル機構により回転し、第１回転軸と第２回転軸との直交点を含むように形成された内側磁性体３２と、
内側磁性体３２に設けられたミラーと、を備えている。
また、可動部３０は、直交点に重心が位置するように構成されている。
固定部１０は、
自身の中心軸上に上記直交点が位置し、中心軸を含む第１平面上に上記第１回転軸が位置し、中心軸を含みかつ第１平面に直交する第２平面上に上記第２回転軸が位置するとともに、ミラーが上側に露出するように、可動部３０を回転可能に支持する磁性体支柱２１と、
磁性体支柱２１の可動部３０を支持する側とは反対側の面に固定された永久磁石２０と、
上記第１平面において中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有するとともに、上記第２平面において中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有し、磁性体支柱２１が上側に位置するように永久磁石２０が固定されたコア１１と、
電流が流れることで、コア１１の上記第１平面の断面形状をなす部分を通る第１磁束（駆動磁束）を発生させるように、コア１１に巻き付けられたコイル１４・１５と、
電流が流れることで、コア１１の上記第２平面の断面形状をなす部分を通る第２磁束（駆動磁束）を発生させるように、コア１１に巻き付けられたコイル１２・１３と、を備えている。
コイル１４・１５には、可動部３０の共振周波数に合わせた周波数の交流電圧が与えられる。コイル１２・１３には、段階的に変化する直流電圧が与えられる。
【００７８】
上記の光スキャナ１の構成によれば、コア１１には、永久磁石２０により、第１平面において中心軸に対し左右対称な位置に磁極Ｃ・Ｄが形成されるとともに、第２平面において中心軸に対し左右対称な位置に磁極Ａ・Ｂが形成される。これにより、第１平面では、永久磁石２０から磁性体支柱２１および可動部３０を順次経由して磁極Ｃ・Ｄに向かう方向の磁束（定常磁束）が、中心軸に対し左右対称に発生する。また、第２平面では、永久磁石２０から磁性体支柱２１および可動部３０を順次経由して磁極Ａ・Ｂに向かう方向の磁束（定常磁束）が、中心軸に対し左右対称に発生する。よって、第１磁束および第２磁束は、永久磁石２０により磁束が発生している状態において発生することになる。
【００７９】
第１平面において説明すると、コア１１は、中心軸に対し左右対称な上側が開口したコの字型の断面形状を有しているので、第１磁束は、コア１１および可動部３０を通るように発生する。このため、コイル１４・１５による第１磁束は、片側の永久磁石２０による磁束とは打ち消しあって弱くなり、もう片側の永久磁石２０による磁束とは合成して強くなる。よって、可動部３０と固定部１０との間の吸引力が、一方では増加して、他方では減少する。これにより、電磁トルクが発生し、可動部３０が回転する。
【００８０】
また、第１磁束は、コイル１４・１５に交流電圧が与えられることにより発生するので、その発生方向は交互に切り替わる。これにより、可動部３０はねじれ運動を繰り返す。そして、交流電圧の周波数は、可動部３０の共振周波数に合わせられていることにより、可動部３０は共振駆動を行うので、回転角度（偏向角度）を増幅することが可能となっている。
【００８１】
第２平面においても、同様の原理により可動部３０が回転する。そして、第２磁束は、コイル１２・１３に段階的に変化する直流電圧が与えられることにより発生するので、発生方向は一定で、磁束の強さが段階的に変化する。これにより、可動部３０は段階的に回転する。
【００８２】
このように、可動部３０が、ジンバル機構の板バネのトーションバーによるねじれ共振と電磁力とを利用して、大きな角度で二次元で回転することにより、ミラーも大きな角度で二次元で回転することが可能となる。また、従来のポリゴンミラー型の二次元光スキャナと比較して、モータを用いていないので、小型化が可能となる。したがって、小型化を実現するとともに、二次元で高トルクを発生させることにより、二次元の高速で大きな偏向角度を得ることが可能となる。
【００８３】
また、光スキャナ１では、コア１１の中心軸に平行な内側の面は、可動部３０が回転するときの端部の軌道に対し一定の隙間を形成するような形状を有している。さらに、光スキャナ１では、コア１１の中心軸に平行な内側の面に、可動部３０が回転するときの端部の軌道に対し一定の隙間を形成するような形状の延長磁極１６・１７が設けられている。これにより、可動部３０と固定部１０との隙間が一定となるので、永久磁石２０から、磁性体支柱２１および可動部３０を順次経由して、各磁極Ａ〜Ｄに向かう方向の磁束を、効率良く発生させることが可能となる。よって、トルクの減少を防止し、大きな偏向角度を確保することが可能となる。
【００８４】
なお、光スキャナ１では、コア１１の中心軸に平行な内側の面は、上述した形状に限るものではなく、例えば、内側に下りるような階段形状を有していてもよい。これによれば、段階的に変化する直流電圧が与えられて、磁束の強さが段階的に変化することにより、可動部３０が段階的に回転する場合、各段階において、可動部３０を安定して落着させることが可能となる。
【００８５】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、光スキャナに関する分野に好適に用いることができるだけでなく、光スキャナの制御方法や光スキャナの製造方法に関する分野にも好適に用いることができ、さらには、光スキャナを備える各種電子機器、例えば、レーザープリンタ、バーコードリーダ、空間エリアセンサ、レーザマーカ、光ＶＯＡ、光無線通信機、画像表示器、並びに、３次元形状測定器やレーザ寸法測定器などの光計測機器などの分野にも幅広く用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明における二次元電磁共振型光スキャナの実施の一形態を示す斜視図である。
【図２】上記二次元電磁共振型光スキャナにおける、（ａ）は固定部の構成を示す斜視図であり、（ｂ）は可動部の構成を示す斜視図である。
【図３】図１に示した二次元電磁共振型光スキャナのＰ断面を示すものであり、ｘ軸まわりの駆動原理を説明するための図である。
【図４】図１に示した二次元電磁共振型光スキャナのＱ断面を示すものであり、ｙ軸まわりの駆動原理を説明するための図である。
【図５】従来のポリゴンミラー型の二次元走査式光スキャナの構成を示す図である。
【図６】従来のＭＥＭＳ型の二次元走査式光スキャナの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８８】
１  二次元電磁共振型光スキャナ（光スキャナ）
１０  固定部
１１  コア（磁性体本体）
１２，１３  コイル（第２コイル）
１４，１５  コイル（第１コイル）
１６，１７  延長磁極（延長磁性体）
１８，１９  非磁性体
２０  永久磁石
２１  磁性体支柱
３０  可動部
３１  外側磁性体
３２  内側磁性体（磁性板）
３３，３４  トーションバー
３５，３６  トーションバー
【図１】
2010107666.tif 000003
【図２】
2010107666.tif 000004
【図３】
2010107666.tif 000005
【図４】
2010107666.tif 000006
【図５】
2010107666.tif 000007
【図６】
2010107666.tif 000008