(57)【要約】【課題】光走査を制御する構造の小型化、ひいては光走査装置及び／又は画像形成装置の小型化を図る。【解決手段】  光源４０からの光ビームＬを光ビームＬの光軸に対して可変の角度で反射可能であり、光ビームＬの光軸と平行な回転軸Θを軸心として回転可能なミラー２４と、光ビームＬの入射を妨げないようにミラー２４に設けられた磁石２３と、光ビームＬの光軸が内部を通るように配置された、磁石２に電磁界を供給するコイル３１１と、を備える。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを出力する光源と、
前記光ビームを前記光ビームの光軸に対して可変の角度で反射可能であり、前記光ビームの光軸と平行な回転軸を軸心として回転可能なミラーと、
前記光ビームの入射を妨げないように前記ミラーに設けられた磁石と、
前記光ビームの光軸が内部を通るように配置された、前記磁石に電磁界を供給するコイルと、
を備えた、光走査装置。
【請求項２】
前記コイルは、中空構造の部材に設けられ、
前記光ビームは、前記部材の中空部分を通過して前記ミラーに入射する、請求項１記載の光走査装置。
【請求項３】
光源からの光ビームを前記光ビームの光軸に対して可変の角度で反射可能であり、前記光ビームの光軸と平行な回転軸を軸心として回転可能なミラー、を備えた光走査装置の非接触光走査制御機構であって、
前記光ビームの入射を妨げないように前記ミラーに設けられた磁石と、
前記光ビームの光軸が内部を通るように配置された、前記磁石に電磁界を供給するコイルと、
を備えた、非接触光走査制御機構。
【請求項４】
前記コイルは、中空構造の部材に設けられ、
前記光ビームは、前記部材の中空部分を通過して前記ミラーに入射する、請求項３記載の非接触光走査制御機構。
【請求項５】
前記部材の一部又は全部が、磁性材料である、請求項４記載の非接触光走査制御機構。
【請求項６】
前記磁石及び前記コイルは、前記光軸を軸心として互いに対向する位置に設けられている、請求項３〜５のいずれか１項に記載の非接触光走査制御機構。
【請求項７】
請求項１記載の光走査装置を備えた画像形成装置であって、
前記ミラーの反射角を前記コイルが発生する電磁場により制御して、前記光ビームを射出する、画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光走査を用いる技術に関し、例えば、光走査装置、非接触光走査制御機構および画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザープリンター等において光走査を用いて描画を行なう光学デバイスの一例として、光スキャナーが知られている。光スキャナーは、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いてシリコン基板を加工することで作成することができる。このような光スキャナーは、２軸（例えばＸ軸及びＹ軸）方向の光走査（以下、「Ｘ−Ｙ走査」という）を行なうことにより、平面（スクリーン）に対して画像や映像を投影、表示することができる。
【０００３】
しかし、画像や映像を投影する面（スクリーン）が例えば球体や半球体、円柱体等の３次元形状における球面や曲面である場合、Ｘ−Ｙ走査では非効率な場合がある。例えば、図７に示すように半球状のスクリーンに対してＸ−Ｙ走査を行なうと、図８に斜線部で示すように、スクリーン内だけでなくスクリーン外の領域にも光が走査される。この場合、斜線部で表されたスクリーン外を走査する光は、無駄になり非効率である。
【０００４】
そこで、３次元状のスクリーンに対しても効率的な光走査を行なう手法の一つとして、Ｘ−Ｙ走査に代えて、極座標（ｒ−θ）方向の光走査（以下、「ｒ−θ走査」という）を行なうことも考えられている。ｒ−θ走査は、例えば、光スキャナーを、或る回転軸の周り（θ方向）に回転運動させることと、前記回転軸に沿う方向（ｒ方向）へ１次元走査することとの組み合わせによって可能となる。
【０００５】
ここで、光スキャナーに駆動電力を供給する場合、光スキャナーは前記回転軸の周りに回転運動するため、配線の設け方に制約がある。例えば、配線を回転運動する部分とその他の固定部分とにわたって設けてしまうと、回転運動により配線が絡まってしまい、光スキャナーの回転運動を阻害したり配線が損傷したりするおそれがある。
【０００６】
そこで、光スキャナーに対する駆動電力の供給を非接触で行なうことが考えられる。電力の伝送を非接触で行なう技術の一例として、下記の特許文献１により提案される技術がある。特許文献１には、ビデオカメラを用いて周囲の様子を撮影するために、ビデオカメラを回転体上に設置し、当該回転体側への駆動電力の供給（伝送）を、磁界発生コイルによる電磁誘導を利用して非接触で行なうことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−９１５８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した従来技術では、磁界発生コイル及び電流発生コイルの少なくとも２つのコイルを要する。そのため、コイル配置に要するスペースが大きくなってしまうおそれがある。
【０００９】
本発明の目的の一つは、光走査を制御する構造の小型化、ひいては光走査装置及び／又は画像形成装置の小型化を図ることにある。また、光走査の制御を非接触で行なう際の効率を向上することも本発明の目的の一つである。
【００１０】
なお、前記目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本発明の他の目的の一つとして位置付けることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の光走査装置の一態様は、光ビームを出力する光源と、前記光ビームを前記光ビームの光軸に対して可変の角度で反射可能であり、前記光ビームの光軸と平行な回転軸を軸心として回転可能なミラーと、前記光ビームの入射を妨げないように前記ミラーに設けられた磁石と、前記光ビームの光軸が内部を通るように配置された、前記磁石に電磁界を供給するコイルと、を備える。
【００１２】
また、本発明の非接触光走査制御機構の一態様は、光源からの光ビームを前記光ビームの光軸に対して可変の角度で反射可能であり、前記光ビームの光軸と平行な回転軸を軸心として回転可能なミラー、を備えた光走査装置の非接触光走査制御機構であって、前記光ビームの入射を妨げないように前記ミラーに設けられた磁石と、前記光ビームの光軸が内部を通るように配置された、前記磁石に電磁界を供給するコイルと、を備える。
【００１３】
ここで、前記コイルは、中空構造の部材に設けられ、前記光ビームは、前記部材の中空部分を通過して前記ミラーに入射する、こととしてもよい。
【００１４】
また、前記部材の一部又は全部は、磁性材料としてもよい。さらに、前記磁石及び前記コイルは、前記光軸を軸心として互いに対向する位置に設けられていてもよい。
【００１５】
また、本発明の画像形成装置の一態様は、上述の光走査装置を備えた装置であって、前記ミラーの反射角を前記コイルが発生する電磁場により制御して、前記光ビームを射出する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施形態の光走査装置の構成例を模式的に示す図。
【図２】図１に例示する光スキャナーの構造を模式的に示す斜視図。
【図３】図２に例示する光スキャナーの回転軸と直交する方向の模式的な断面図。
【図４】図２及び図３に例示する可動板の裏面の構成例を模式的に示す図。
【図５】図１に例示した光走査装置に本実施形態の非接触光走査制御機構の一例を適用した構成を模式的に示す斜視図。
【図６】図５に例示する光走査装置を回転台の回転軸に沿う平面で切断したときの模式的断面図。
【図７】半球状のスクリーンに画像を投影する場合の構成を示す模式図。
【図８】図７に示す投影での走査範囲を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ただし、以下に説明する実施形態は、あくまでも例示であり、以下に明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。即ち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付して表している。さらに、図面は以下の説明のための模式的なものであり、具体的な寸法等は以下の説明との関係で判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることがある。
【００１８】
（一実施形態）
図１は、一実施形態に係る光走査装置１０の構成例を模式的に示す斜視図である。図１に示す光走査装置１０は、例示的に、光スキャナー２０、光スキャナー２０の設けられた回転体（回転台）３０、および、光走査に用いられるレーザー光（光ビーム）Ｌを出力するレーザー光源４０を備える。
【００１９】
回転台３０は、例示的に、回転軸Θを中心とする所定半径の中空部分３０１を有するドーナツ形状を有している。回転台３０は、モーター等の駆動回路によって回転軸Θを中心に３６０度以上の回転が可能である。ただし、回転台３０は、中空モーターそのものでもよい。
【００２０】
中空部分３０１は、レーザー光源４０が出力した光ビームＬの通過を許容する。そのため、中空部分３０１の半径（断面積）は、光ビームＬの径（断面積）以上あればよい。例えば、回転台３０としての中空モーターの回転軸（モーターシャフト）に光ビームＬが通過可能な貫通孔を設けてもよい。回転台３０を駆動するモーターあるいは中空モーターには、例えば、ダイレクトドライブモーターや、ステッピングモーター、サーボモーター、ＤＣモーター等を用いることができる。なお、回転台３０を回転させる方法（駆動機構）としては、上述のごとく回転台３０の回転軸に対して駆動力を与える方法の他、回転台３０の外周（円周）に対して駆動力を与える方法も適用可能である。例えば、回転台３０の円周をギア形状にして、モーターと回転台３０の円周のギアとをかみ合わせて回転させる方法とすることもできる。
【００２１】
光スキャナー２０は、後述するように１次元の光走査を可能にするミラー（１次元走査ミラー）２４（図２参照）を有する。ミラー２４は、回転台３０の中空部分３０１を通過した光ビームＬがミラー面に入射可能なように回転台３０に設けられている。
【００２２】
例示的に、光スキャナー２０（ミラー２４）は、回転台３０の中空部分３０を除く表面に設けられた支持部材２０１によって支持され、ミラー２４が光ビームＬの光路（光軸）上に位置するように位置決め、固定されている。
【００２３】
換言すれば、ミラー２４は、回転台３０の中空部分３０１を通過した光ビームＬを受けつつ当該光ビームＬの光軸に平行な回転軸Θを軸心に回転することが可能になっている。また、光スキャナー２０は、回転軸Θと交差する方向、例えば回転軸Θと垂直な方向に回転軸Ｒ（図２参照）を有し、回転軸Ｒを中心に図１中に矢印ｒで示す方向に所定角度範囲の回動（１軸走査）が可能である。
【００２４】
図２及び図３に、光スキャナー２０の構成例を示す。図２は光スキャナーの模式的な斜視図であり、図３は光スキャナー２０の回転軸Ｒと直交する方向の模式的な断面図である。
【００２５】
図２に例示する光スキャナー２０は、電磁駆動型の光スキャナーの一例であり、例示的に、凹部空間が形成された基体２１と、可動板２２、可動板２２の表面に設けられた既述のミラー２４、および、可動板２２の裏面に設けられた磁石２３（図３及び図４参照）を有する可動ミラー基板２５と、を備える。
【００２６】
基体２１には、例えば、ガラス基板やシリコン基板等を用いることができ、可動板２２の振動（回動）を許容する凹部（空間）が設けられている。凹部は、例示的に、基体２１をエッチングする、あるいは、基体２１の両端部にスぺーサー部を形成することで設けることができる。
【００２７】
可動ミラー基板２５は、例示的に、さらに、可動板２２の両端部に設けられた一対のトーションバー（弾性部材の一例である捻りばね）２７ａ及び２７ｂと、トーションバー２７ａ及び２７ｂを介して可動板２２を支持する支持枠固定部２９ａ及び２９ｂとを備える。このような可動ミラー基板２５は、例えば、シリコンの単結晶基板（薄板）をＭＥＭＳの微細加工技術を用いて形成することができる。
【００２８】
ミラー２４は、レーザー光源４０から回転台３０の中空部分３０１を通過して入射する光ビームＬを反射する。反射した光ビームＬは、光走査に用いることができる。なお、光スキャナー２０には、１次元に限らず２次元（２軸）以上の走査が可能なミラーを適用することも可能である。
【００２９】
図３及び図４に示す磁石２３は、例えば、Ｎ極及びＳ極を有する棒磁石であり、トーションバー２７ａ及び２７ｂ（回転軸Ｒ）に対して直交又は略直交する方向にＮ極及びＳ極が位置するように配置されている。磁石２３によって、可動板２２を含む空間にＮ極からＳ極に向かう磁力線（静磁場）が形成される。当該静磁場に対して外部から別の磁界を与えると、磁石２３の両端部に互いに反対方向の力が生じさせて、可動板２２に回動力を与えることができる。結果、可動板２２の回動角（振れ角）、つまりはミラー２４の反射角を制御することができる。なお、前記磁界の与え方については、図５及び図６にて後述する。
【００３０】
図１において、レーザー光源４０の出力した光ビームＬをミラー２４に入射することで、ミラー２４の反射光を光走査に用いることができる。そのため、レーザー光源４０は、例示的に、レーザー光源４０から光スキャナー２０へ至る光ビームＬの光路が回転軸Θに沿うように、光スキャナー２０に対して回転台３０を挟んで反対側に配置されている。これにより、レーザー光源４０から出力される光ビームＬは、回転台３０の回転軸Θに沿って回転台３０の中空部分３０１を通過して、光スキャナー２０のミラー２４に入射する。
【００３１】
なお、光ビームＬが回転台３０の中空部分３０１を通過してミラー２４に入射可能であれば、レーザー光源４０の配置位置は回転軸Θ又はその近傍でなくてもよい。例えば、光ビームＬの光路上に一又は複数のミラーを設けて、回転台３０の回転軸Θに沿う方向とは異なる方向にレーザー光源４０を配置してもよい。
【００３２】
次に、上述の光スキャナー２０を用いた光走査装置１０の動作について説明する。
レーザー光源４０から出力された光ビームＬは、回転台３０の中空部分３０１を通過して光スキャナー２０のミラー２４に入射する。光スキャナー２０の可動板２２を既述のように回転軸Ｒ（図２参照）の周りに回転させて、図１中に矢印ｒで示す方向に回動させることにより、ミラー２４で反射された光ビームＬが図１中に示す矢印Ｓの方向に走査される。
【００３３】
さらに、回転台３０を回転軸Θの周りに回転させることにより、ミラー２４で反射された光ビームＬは、図１中に示す矢印θの方向に走査される。つまり、ミラー２４は、光ビームＬを光ビームＬの光軸に対して可変の角度で反射可能であり、光ビームＬの光軸と平行な回転軸Θを軸心として回転可能である。
【００３４】
以上のような、光スキャナー２０の回転軸Ｒの周りの回転と、回転台３０の回転軸Θの周りの回転との組み合わせにより、回転軸Θを中心軸とする円柱状のスクリーンの全体に光ビームＬを走査することができる。したがって、円柱型のスクリーンの全体に画像や映像を効率良く投影することができる。
【００３５】
また、図１に例示したように、レーザー光源４０を、光スキャナー２０に対して、回転台３０を挟んで反対側に配置し、光ビームＬが回転台３０の中空部分３０１を通過して光スキャナー２０のミラー２４に入射するようにすることで、投影スクリーンと光スキャナー２０との間にレーザー光源４０や回転台３０の配線を設けなくても済む。
【００３６】
さらには、レーザー光源４０は、回転運動する回転台３０や光スキャナー２０から離れた位置に設けることができるので、レーザー光源４０は、回転駆動不要な個別のユニットとすることができる。したがって、回転台３０に余分な負荷をかけずに済む。また、レーザー光源４０の駆動信号が、回転運動する回転台３０や光スキャナー２０に起因して生じ得るノイズの影響を受けることを抑制でき、レーザー光源４０の安定した駆動を実現することができる。
【００３７】
さらに、レーザー光源４０を、回転台３０を挟んで光スキャナー２０及び投影スクリーンと反対側に配置できるから、レーザー光源４０のサイズに自由度をもたせることができ、ひいては、光学系の設計自由度を向上することができる。
【００３８】
（非接触光走査制御機構）
さて、次に、回転台３０に設けられた光スキャナー２０の可動板２２（ミラー２４）の回動（光走査）制御を行なう手法（機構）について、図５及び図６を用いて説明する。図５は、図１に例示した光走査装置１０に本実施形態の光スキャナー２０の非接触光走査制御機構の一例を適用した構成を模式的に示す斜視図である。図６は、図５に例示する光走査装置１０を回転台３０の回転軸Θに沿う平面で切断したときの模式的断面図である。
【００３９】
図５及び図６に示すように、本例の非接触光走査制御機構は、例示的に、コイル固定用部材３１と、コイル固定用部材３１に設けられたコイル３１１と、を備える。なお、符号５０は、コイル３１１に電力を供給する電源回路を表す。
【００４０】
コイル３１１は、電源回路５０から電力（電流）の供給を受けると、受けた電流値に応じた電磁界を発生する。コイル３１１は、例示的に、コイル固定用部材３１の外周面に沿って設けることができる。例えば、所定長さの導線（線材）をコイル固定用部材３１の外周面に沿って巻き付けてもよいし、コイルパターンをコイル固定用部材３１の外周面に沿ってパターニングしてもよい。
【００４１】
コイル固定用部材３１は、例示的に、その軸心が回転台３０の回転軸Θと一致するように、回転台３０の、光スキャナー２０が設けられた面とは反対側に設けることができる。回転台３０を回転自在に支持する構造は、ボールベアリング等の既知の各種軸受との組み合わせによって実現することが可能である。ただし、コイル固定用部材３１は、回転台３０に固定されておらず、回転台３０が回転しても回転しない。
【００４２】
回転台３０を支持する構造の一例としては、図６中に示すように、ベアリング（例えば、スラスト軸受け）３２を用い、回転台３０をベアリング３２の一方の面に固定するとともに、ベアリング３２の他方の面を回転台支持部材３３に固定することが挙げられる。回転台支持部材３３には、板状の個別の部材を用いることができる。また、コイル固定用部材３１は、ベアリング３２にはめ込むことで固定することができる。このような構造により、コイル固定用部材３１は回転せず固定のまま、回転台３０を回転させることが可能となる。
【００４３】
また、コイル固定用部材３１は、例示的に、光ビームＬが通過可能な透孔３１２を有する中空構造の筒状体である。透孔３１２は、光ビームＬが通過可能な径（断面積）を有していれば足りる。換言すれば、透孔３１２は、光ビームＬの光路（光軸）の一部を内包している。透孔３１２の径は、回転台３０の中空部分３０１の径と異なっていてもよいし同じでもよい。透孔３１２の断面形状は、光ビームＬを通過できれば円形状でなくてもよく、多角形状であってもよい。
【００４４】
回転台３０の中空部分３０１、および、コイル固定用部材３１の透孔３１２の径は、それぞれ異なっていてもよい。レーザー光源４０から出力された光ビームＬは、コイル固定用部材３１の透孔３１２、および、回転台３０の中空部分３０１をそれぞれ通過して、光スキャナー２０（ミラー２４）に入射することができる。
【００４５】
上述の構成において、コイル３１１で発生した電磁界が、光スキャナー２０の可動板２２の裏面に設けられた磁石２３が形成する磁界に対して作用すると、可動板２２に回動力が生じて、可動板２２の回動角、つまりはミラー２４の振れ角（反射角）を制御することができる。
【００４６】
例えば、電源回路５０（交流電源）からコイル３１１に電流が供給（オン）される期間において、コイル３１１に電磁場（交流磁界）が発生し、この交流磁界が磁石２３の形成する静磁場に作用することで、磁石２３の一端部がコイル３１１に対して引き付けられたり離れたりする。結果、可動板２２が、トーションバー２７ａ及び２７ｂを回動軸Ｒとして振動する。一方、電流が供給されない（オフ）期間においては、前記交流磁界が消失し、弾性部材であるトーションバー２７ａ及び２７ｂの復元力によって可動板２２が元の位置に戻る。
【００４７】
このようなオンオフ動作が交流電源の周期に応じて高速に行なわれると、特定の周波数（スイッチング周波数あるいは駆動周波数）で可動板２２が共振状態となり、可動板２２、つまりはミラー２４の振れ角が特定の角度に安定する。このように振れ角が安定した共振状態で光スキャナー２０を使用する。
【００４８】
例えば、レーザー光源４０の出力した光ビームＬがミラー２４に入射することで、ミラー２４の反射光を光走査の光ビームに用いることができる。なお、本例では、光スキャナー２０には、１次元（１軸）走査が可能なものに限らず、２次元（２軸）以上の走査が可能なものを適用してもよい。
【００４９】
上述したコイル３１１の電磁場による可動板２２（ミラー２４）の回動制御を効率的に行なえるようにするため、コイル３１１の軸心と磁石２３の中央部分とは同じ軸（例えば回転軸Θ）上に配置するとよい。また、回転台３０の回転を妨げない範囲で互いの距離はできるだけ近い方がよい。代替的又は付加的に、コイル固定用部材３１の一部（例えばコイル３１１が設けられた部分）又は全部の材料に、鉄やフェライト等の磁性体を用いて、コイル固定用部材３１をコイル３１１の磁心（磁性コア）とすることで、コイル３１１が発生する電磁界の強度を強めるようにしてもよい。
【００５０】
以上のように、光スキャナー２０の可動板２２（ミラー２４）に磁石２３を設けて、磁石２３が形成する静磁場に対して、コイル固定用部材３１に設けたコイル３１１の電磁場を作用させることで、非接触でミラー２４の反射角（光走査）を制御することができる。したがって、回転台３０側に追加的なコイルを用いなくても、非接触でのミラー２４の反射角制御が可能である。よって、コイル配置に要するスペースを最小限に抑制して、光走査装置１０の小型化を図ることができる。
【００５１】
また、コイル３１１が設けられたコイル固定用部材３１の一部又は全部を磁性体とすることで、コイル固定用部材３１がコイル３１１の磁心として機能とするので、コイル３１１で発生する電磁界強度を強めて、ミラー２４の反射角制御をより効率的に、また、確実に行なうことが可能となる。
【００５２】
（画像形成装置）
上述した非接触光走査制御機構を有する光走査装置１０は、例えば、投影スクリーンが円柱状や半球状等の３次元形状であるプロジェクタ、イメージング用ディスプレイなどの画像形成装置に適用することができる。すなわち、ミラー２４の反射角を制御して、光ビームＬを射出、走査することができる。射出先は、３次元形状のスクリーンとすることができる。その結果、優れた描画特性を有する画像形成装置を省スペースで実現することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１０…光走査装置、２０…光スキャナー、２１…基体、２２…可動板、２３…磁石、２４…ミラー（１次元走査ミラー）、３０…回転台、３１…コイル固定用部材、３２…ベアリング（スラスト軸受け）、３３…回転台支持部材、４０…レーザー光源、５０…電源回路、３０１…中空部分、３１１…コイル、３１２…透孔、Θ，Ｒ…回転軸、Ｌ…レーザー光（光ビーム）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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