(57)【要約】【課題】安定した光走査を好適に行うことが可能な光走査装置を提供することを目的とする。【解決手段】枠体２０と、揺動部１２と、入射される光を反射する反射面を有するミラー部１４と、揺動部１２を支持する支持部１６ａ，１６ｂと、支持部１６ａ，１６ｂを枠体２０に取り付けるための軸受１８と、揺動部１２とミラー部１４と支持部１６ａ，１６ｂとを回転させ、反射面を揺動させる駆動部２２とを備える光走査装置１０である。揺動部１２は、ミラー部１４を含む。反射面は、揺動部１２と支持部１６ａ，１６ｂとをとおり、駆動部２２による揺動のための回転の中心となる中心軸Ｌ１を含む面である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠体と、
揺動部と、
入射される光を反射する反射面を有するミラー部と、
前記揺動部を支持する支持部と、
前記支持部を前記枠体に取り付けるための介在部と、
前記揺動部と前記ミラー部と前記支持部とを回転させ、前記反射面を揺動させる駆動部とを備え、
前記揺動部は、前記ミラー部を含み、
前記反射面は、前記揺動部と前記支持部とをとおり、前記駆動部による揺動のための回転の中心となる中心軸を含む面であることを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記揺動部は平面を含み、前記平面が前記反射面として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記支持部は、柱状の部材であって、
前記介在部は、柱状の部材の前記支持部に装着される軸受によって構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光走査装置。
【請求項４】
前記揺動部と前記支持部は一体の部材によって形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光走査装置。
【請求項５】
前記駆動部は、電磁コイルと、前記電磁コイルに磁力を作用させることができる位置に設けられた磁石とを含み、
前記電磁コイルまたは前記磁石のいずれかは、前記揺動部に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光走査装置。
【請求項６】
前記ミラー部は、前記反射面を有するミラー本体を弾性部材からなる捩れ軸を介して支持して、前記捩れ軸を共振状態で弾性変形させ、前記ミラー本体を、前記駆動部による揺動方向に直交する方向に揺動させる構造体を含むミラーユニットによって構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光走査装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光走査装置に関する提案がなされている（例えば、特許文献１参照）。例えば、特許文献１には光走査装置として、枠体と、偏光面と、２つの梁部材とを備えたガルバノミラーが提案されている。偏光面は、入射した光を反射する面である。両梁部材は、偏光面を枠体に支持させる。具体的に、偏向面は、左端中央部にて、一の梁部材でもって、枠体に支持されている。また、偏向面は、右端中央部にて、他の梁部材でもって、枠体に支持されている。つまり、特許文献１のガルバノミラーは、偏光面が形成された部材の中心軸と同一直線上の両梁部材の軸心を中心として偏光面を駆動させて、光を走査させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２４４７９８号公報（段落００４１、段落００４５、図２、図６、図７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、光走査装置では、安定した光走査が好適に実現されなければならない。具体的に、入射された光（ビーム）が、いわゆるけられることがなく所定の方向に反射されるようにしなければならない。
【０００５】
本発明は、安定した光走査を好適に行うことが可能な光走査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記従来の課題に鑑みなされた本発明の一側面は、枠体と、揺動部と、入射される光を反射する反射面を有するミラー部と、前記揺動部を支持する支持部と、前記支持部を前記枠体に取り付けるための介在部と、前記揺動部と前記ミラー部と前記支持部とを回転させ、前記反射面を揺動させる駆動部とを備え、前記揺動部は、前記ミラー部を含み、前記反射面は、前記揺動部と前記支持部とをとおり、前記駆動部による揺動のための回転の中心となる中心軸を含む面であることを特徴とする光走査装置である。これによれば、光がけられるといった現象の発生を低減することができる。ここで、光がけられるとは、入射される光が、ミラー部の反射面に入射せず、反射面の近傍を通過してしまう現象をいう。なお、揺動のための回転の中心は、揺動の中心ともなる。
【０００７】
この光走査装置は、次のような構成とすることもできる。すなわち、前記揺動部は平面を含み、前記平面が前記反射面として形成されていることを特徴としてもよい。これによれば、光走査装置をシンプルな構成とすることができる。
【０００８】
また、前記支持部は、柱状の部材であって、前記介在部は、柱状の部材の前記支持部に装着される軸受によって構成されていることを特徴としてもよい。これによれば、揺動部とミラー部と支持部との回転をスムーズに行うことができる。ここで、支持部を軸受で支持すると、揺動時における支持部の捩じれを防止することができる。したがって、揺動時において、ミラー部に復元力が働かず、結果としてミラー部と支持部との回転に伴う共振周波数は存在しない。そのため、光走査装置が鋸波状などの駆動波形によって駆動されても、共振周波数に起因するリンギング、すなわち走査光の揺らぎを回避することができる。
【０００９】
また、前記揺動部と前記支持部は一体の部材によって形成されていることを特徴としてもよい。これによれば、光走査装置をシンプルな構成とすることができる。また、揺動部とミラー部と支持部との回転の中心を精度よく確保することができる。
【００１０】
また、前記駆動部は、電磁コイルと、前記電磁コイルに磁力を作用させることができる位置に設けられた磁石とを含み、前記電磁コイルまたは前記磁石のいずれかは、前記揺動部に設けられていることを特徴としてもよい。これによれば、好適に揺動部とミラー部と支持部とを回転させ、反射面を揺動させることができる。
【００１１】
また、前記ミラー部は、前記反射面を有するミラー本体を弾性部材からなる捩れ軸を介して支持して、前記捩れ軸を共振状態で弾性変形させ、前記ミラー本体を、前記駆動部による揺動方向に直交する方向に揺動させる構造体を含むミラーユニットによって構成されていることを特徴としてもよい。これによれば、直交する二方向に光を走査させることができる。すなわち、二次元的に光を走査させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、安定した光走査を好適に行うことが可能な光走査装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】光走査装置の斜視図である。
【図２】（ａ）は比較対象の光走査装置での光の反射状態を示し、（ｂ）は本実施形態の光走査装置での光の反射状態を示す図である。
【図３】（ａ）は他の光走査装置の平面図であり、（ｂ）は他の光走査装置の正面図である。
【図４】（ａ）は図３に示す他の光走査装置が備えるミラー部の平面図であり、（ｂ）は図４（ａ）のＫ−Ｋ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明を実施するための実施形態について、図面を用いて以下に詳細に説明する。本発明は、以下に記載の構成に限定されるものではなく、同一の技術的思想において種々の構成を採用することができる。例えば、以下に示す構成の一部は、省略しまたは他の構成などに置換してもよい。また、他の構成を含むようにしてもよい。
【００１５】
本実施形態の光走査装置１０は、外部の光源から入射される光を走査する装置である。光走査装置１０は、各種の光学機器に採用される。例えば、網膜走査型のヘッドマウントディスプレイに採用される。光走査装置１０は、図１に示すように、揺動部１２と、ミラー部１４と、支持部１６ａ，１６ｂと、２個の軸受１８と、枠体２０と、駆動部２２とを備える。
【００１６】
光走査装置１０では、揺動部１２とミラー部１４と支持部１６ａ，１６ｂとは、一体をなしたシャフト部２４を構成する。揺動部１２は、単一の円柱の部材を素材として、この素材の中心軸Ｌ１の方向（以下、中心軸Ｌ１の方向を「軸心方向」ともいう。）の中央部を、中心軸Ｌ１と同一面内で軸心方向に垂直な方向（図１の「軸心垂直方向」参照。以下、「軸心垂直方向」ともいう。）に、所定の幅だけ水平に加工して形成されている。揺動部１２を形成するために単一の素材の中央部は、円柱の外周面から中心軸Ｌ１に向けて、円柱の半径の寸法に相当する深さだけ凹状に加工される。例えば、切削および研磨、圧造またはエッチングなどされる。したがって、揺動部１２は、軸心方向に対して垂直な断面が半円形状となる。なお、シャフト部２４は、ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ４３０などのステンレス、チタンまたは鉄などの金属材料によって構成される。
【００１７】
水平に加工して形成された揺動部１２を構成する平面は、シャフト部２４の中心軸Ｌ１を含む平面である。また、揺動部１２を構成する平面は、鏡面研磨によって鏡面状態に仕上げられる。すなわち、揺動部１２を構成する平面は、ミラー部１４を構成し、かつミラー部１４の反射面となる。したがって、ミラー部１４の反射面は、シャフト部２４の中心軸Ｌ１を含む平面である。ミラー部１４は、反射面において入射される光を所定の方向に反射する。
【００１８】
支持部１６ａ，１６ｂは、シャフト部２４の軸心方向において揺動部１２の両端側に形成されている。シャフト部２４は、ミラー部１４が形成された揺動部１２を支持部１６ａ，１６ｂが間に挟み込むようにして形成されている。支持部１６ａ，１６ｂは、介在部としての軸受１８を介して枠体２０に取り付けられている。軸受１８としては、例えばボールベアリングが採用される。ただし、例えばテフロン（登録商標）などの摩擦係数の小さな樹脂材料を用いた樹脂性軸受など、他の構成が軸受１８として採用されても差し支えない。なお、シャフト部２４は、それぞれ別部材として構成された揺動部１２および支持部１６ａ，１６ｂを、上述した位置関係になるようにして一体に組み立てた構成としてもよい。また、図１では支持部１６ａ側の軸受１８は、枠体２０にかくれた状態であり、その図示を省略している。
【００１９】
枠体２０は、光走査装置１０の骨格をなす。枠体２０は、図１において軸心垂直方向から視たとき、凹状の形状を有する。各構成は、直接または間接的に枠体２０に取り付けられ、枠体２０に支持されている。例えば、枠体２０の側壁部２０ａ，２０ｂにはそれぞれ、中心軸Ｌ１の方向に貫通した貫通孔が中心軸Ｌ１を中心として形成されている。これら貫通孔には、軸受１８が取り付けられる。支持部１６ａ，１６ｂは、側壁部２０ａ，２０ｂに取り付けられた状態の軸受１８によって支持される。
【００２０】
駆動部２２は、軸受１８を介して枠体２０に取り付けられたシャフト部２４を、中心軸Ｌ１を中心として所定の範囲往復するように回転させる。なお、図１に示す、中心軸Ｌ１を中心とした円弧状の両矢の矢印は、シャフト部２４の回転方向を示すものである。駆動部２２は、電磁方式の駆動機構である。駆動部２２は、電磁コイル２２４と磁石２２６とを含む。例えば、電磁コイル２２４は、ミラー部１４の反射面の裏面、すなわち、揺動部１２を挟んでミラー部１４の反射面と対向する揺動部１２の部分に設けられている。具体的に、揺動部１２の軸心垂直方向の両側に平板２２８ａ，２２８ｂが設けられ、電磁コイル２２４は、この平板２２８ａ，２２８ｂの下面側（図１に示す矢印「下」参照）、つまり磁石２２６側の面にそれぞれ設置されている。電磁コイル２２４は、所定の方向に巻線されている。磁石２２６は、枠体２０上に、電磁コイル２２４それぞれに接近した状態でかつ対向するように設置されている。
【００２１】
電磁コイル２２４に電流を流すと、電磁コイル２２４には、磁力が発生する。電磁コイル２２４の磁力と、磁石２２６の磁力とによってシャフト部２４は、中心軸Ｌ１を中心として所定の範囲を往復して回転する。そして、この往復した回転によって、ミラー部１４の反射面が回転方向に揺動する。ここで、このミラー部１４の反射面は、中心軸Ｌ１を含む面であるため、ミラー部１４の反射面の揺動も、中心軸Ｌ１を中心として行われる。なお、駆動部２２は、上記のような電磁方式の他、静電方式または圧電方式など、種々の方式のものを採用することができる。各種の点を考慮しいずれの方式とするかが決定される。電磁方式では、後述する変形例のような構成を採用できる点において好適である。
【００２２】
ここで、光走査装置１０では、シャフト部２４を支持部１６ａ，１６ｂに装着された軸受１８で支持するため、揺動時に、シャフト部２４に捩れが生じず、捩れに起因する復元力も生じない。したがって、光走査装置１０では、シャフト部２４の回転に伴う共振状態が達成されない。そのため、光走査装置１０では、光走査装置１０が鋸波状などの駆動波形によって駆動されても、光走査装置１０の共振周波数に起因するリンギング、すなわち走査光の揺らぎを回避することができる。
【００２３】
次に、図２（ａ），（ｂ）を参照して、光走査装置１０によって得られる有利な効果について説明する。以下では、揺動のための回転の中心となる中心軸が、ミラー部の反射面に含まれない光走査装置を比較対象として説明する。なお、比較対象の光走査装置を、「比較装置」ともいう。比較装置において、光走査装置１０が備える構成と同一または同様の構成については、光走査装置１０が備える構成に付した符号と同一の符号を用いる。また、図２（ａ），（ｂ）において、「○」内に「＋」が図示されたマークは、ミラー部１４の回転の中心であって、反射面の揺動の中心である。
【００２４】
比較装置についての図２（ａ）と、光走査装置１０についての図２（ｂ）とから明らかなとおり、ミラー部１４の反射面が、図２（ａ），（ｂ）において点線で示すように水平な状態である場合、位置Ａ，Ｂ，Ｃから入射する光の反射状態は、比較装置および光走査装置１０において同一である。すなわち、入射する光の全体が反射面で反射される。
【００２５】
ミラー部１４が所定の角度θだけ回転し、反射面が図２（ａ），（ｂ）に示す実線の状態となった場合、比較装置では、位置Ａ，Ｂから入射する光は反射面で反射されるが、位置Ｃから入射する光は、図２（ａ）のＲ部に示すように、反射面に入射せず、反射面が存する位置を通過してしまう。すなわち、比較装置では、光がけられた状態が生じる。一方、光走査装置１０では、比較装置のような現象は生じず、入射する光の全体が反射面で反射される。
【００２６】
したがって、光走査装置１０は、比較装置に比べ、光がけられるといった現象の発生を低減することが可能である。そして、光走査装置１０は、この点において、比較装置と比べて、安定した光走査を好適に実現することができる。光走査装置を設置するスペースの問題で、ミラー部１４の反射面の寸法を大きくすることができない状況において、光走査装置１０のような構成は、入射する光を幅広く反射させることができるため、特に有利である。
【００２７】
本実施形態の構成は、次のようにすることもできる。すなわち、上記では、図１に示すように、ミラー部１４を含む揺動部１２と、支持部１６ａ，１６ｂとによって構成されるシャフト部２４が、支持部１６ａ，１６ｂに装着された軸受１８を介して両持ち支持された光走査装置１０を例に説明した。この他、いずれか一方の支持部に軸受が装着され、シャフト部が片持ち支持された光走査装置とすることもできる。このような光走査装置によっても、光走査装置１０と同じく、図２（ｂ）に示す光の反射状態を実現することができる。なお、片持ち支持された光走査装置とする場合、光走査装置１０のシャフト部２４とは異なる形状としてもよい。図１に示す光走査装置１０の構成を例に説明すると、揺動部１２の両端側に形成された支持部１６ａ，１６ｂのうち、軸受１８が装着されない支持部１６ａまたは支持部１６ｂが省略された形状のシャフト部としてもよい。この場合、軸受１８が省略される側の枠体２０の側壁部２０ａまたは側壁部２０ｂでは、軸受１８を取り付けるための貫通孔が省略される。
【００２８】
また、上記では、図１に示すように、揺動部１２に形成された平面をミラー部１４として構成した光走査装置１０を例に説明した。この他、光走査装置１０は、図３（ａ），（ｂ）に示す光走査装置５０とすることもできる。光走査装置５０について、図３（ａ），（ｂ）および図４（ａ），（ｂ）を参照して説明する。なお、以下では、光走査装置５０において、光走査装置１０が備える構成と同一または同様の構成については、光走査装置１０が備える構成に付した符号と同一の符号を用いる。そして、光走査装置１０と同一または同様の光走査装置５０の構成などについて、その説明は省略する。
【００２９】
光走査装置５０は、光走査装置１０と同じく、揺動部５２と、ミラー部５４と、支持部１６ａ，１６ｂと、２個の軸受１８と、枠体２０と、駆動部２２とを備える。光走査装置５０では、揺動部５２と支持部１６ａ，１６ｂとは、一体をなしたシャフト部６４を構成する。揺動部５２は、揺動部１２と同様の手法によって形成される。揺動部５２は、単一の円柱の部材を素材として、この素材の中心軸Ｌ２の方向（以下、中心軸Ｌ２の方向を「軸心方向」ともいう。）の中央部を、中心軸Ｌ２と同一面内で軸心方向に垂直な方向（図４（ａ）の「軸心垂直方向」参照。以下、「軸心垂直方向」ともいう。）に、所定の幅だけ水平に加工して形成されている。
【００３０】
揺動部５２を形成するために単一の素材の中央部は、円柱の外周面から中心軸Ｌ２に向けて、円柱の半径の寸法に相当する深さより深く凹状に加工される。すなわち、後述するようにミラー部５４が揺動部５２に固定された状態で、ミラー部５４の反射面が、中心軸Ｌ２を含む面（平面）となるような深さに加工される。揺動部５２では、水平に加工して形成された平面は、鏡面となるよう研磨などされない。光走査装置５０では揺動部５２において、支持部１６ａとの境界部Ｄに、軸心方向に対して平行で水平な平面（以下、「取付面」ともいう。）を含む段部５２２が形成される。段部５２２の取付面には、ミラー部５４が片持ち支持された状態で固定される。この固定には、例えば接着剤、レーザを用いた溶接、所定の締め具を用いたクランピングなどが用いられる。段部５２２の取付面に固定された状態で、ミラー部５４は、その反射面が上側（図３（ｂ）に示す矢印「上」参照）に向けて固定される。
【００３１】
ミラー部５４が固定された揺動部５２と、支持部１６ａ，１６ｂとが一体で形成されたシャフト部６４は、光走査装置１０と同じく、軸受１８それぞれを介して枠体２０の側壁部２０ａ，２０ｂ間に回転可能に取り付けられる。なお、シャフト部６４は、シャフト部２４と同じく、それぞれ別部材として構成された揺動部５２および支持部１６ａ，１６ｂを、一体に組み立てた構成としてもよい。光走査装置５０で駆動部２２は、平板２２８ａ，２２８ｂを用いて、光走査装置１０と同一の状態で設置されている。したがって、枠体２０に取り付けられた状態で、駆動部２２が駆動すると、シャフト部６４は、中心軸Ｌ２を中心として所定の範囲を往復して回転する。シャフト部６４の回転方向は、光走査装置１０の場合と同一である。したがって、揺動部５２に固定されたミラー部５４の反射面は、シャフト部６４が中心軸Ｌ２を中心として往復して回転することによって、中心軸Ｌ２を中心として回転方向に揺動される。
【００３２】
ミラー部５４は、例えば特開２００６−２９３１１６号公報に記載の光スキャナなど、ピエゾ方式のミラーユニットによって構成される。ミラー部５４は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、ベース部７０と、ミラー本体７２と、捩れ軸７４ａ，７４ｂと、延端部７５と、ピエゾ素子７６とを有する構造体を含む。ベース部７０には、耳部７０２ａ，７０２ｂが形成されている。ベース部７０には、ピエゾ素子７６が固定されている。耳部７０２ａ，７０２ｂはそれぞれ、段部５２２に接して固定されるベース部７０の部分（例えば、図４（ｂ）で二点鎖線で示す段部５２２に接した部分参照）と反対側となる部分で、かつ軸心垂直方向においてベース部７０の両側となる部分から、軸心方向の右側（図４に示す矢印「右」参照）に延出するように形成されている。耳部７０２ａ，７０２ｂはそれぞれ対向した位置関係で配置されている。
【００３３】
延端部７５は、耳部７０２ａ，７０２ｂの軸心方向の右側端部それぞれを、軸心垂直方向に接続する。ベース部７０と、耳部７０２ａ，７０２ｂと、延端部７５とによって、開口部７８が形成される。なお、開口部７８は、ミラー本体７２が設置されるための空間となる。ミラー本体７２は、反射面において入射される光を所定の方向に反射する。捩れ軸７４ａ，７４ｂそれぞれは、図４（ａ）に示すように、耳部７０２ａ，７０２ｂそれぞれに接続されている。捩れ軸７４ａ，７４ｂそれぞれは、開口部７８を軸心方向に分割するようにして、軸心垂直方向に耳部７０２ａ，７０２ｂそれぞれから中心軸Ｌ２側に向けて形成され、ミラー本体７２を支持する。片持ち支持されたミラー部５４において、捩れ軸７４ａ，７４ｂによって支持されたミラー本体７２は、揺動部５２の水平な平面から浮き上がった状態となる。なお、ベース部７０は、弾性を有する導電性材料、具体的にはＳＵＳ３０４またはＳＵＳ４３０などのステンレス、チタンまたは鉄などの金属材料によって構成される。
【００３４】
ピエゾ素子７６は、所定の電圧が印加されると変形する。ミラー部５４を構成する構造体では、このピエゾ素子７６への電圧のオン・オフを繰り返し、ピエゾ素子７６を繰り返して変形させることで、共振状態が形成される。したがって、ピエゾ素子７６は、共振状態を形成するための駆動源として機能する。ピエゾ素子７６に対する電圧のオン・オフは、構造体の共振周波数に合わせたタイミングで行われる。
【００３５】
このような構成を有するミラー部５４は、上述したとおり、ミラー本体７２の反射面が、中心軸Ｌ２を含む面となるように段部５２２に固定されている。ミラー部５４では、ピエゾ素子７６の繰り返される変形にともない、段部５２２とミラー部５４との固定位置を固定端とし、ミラー本体７２の揺動軸Ｌ３を節とする定在波が生じる。この定在波は、捩れ軸７４ａ，７４ｂに対して、揺動軸Ｌ３周りの捩れ振動を誘起する。そして、ミラー本体７２は、この捩れ振動によって、図４（ｂ）に示す両矢の矢印方向に往復して振動（回転）する。ミラー本体７２の反射面は、この振動方向（回転方向）に揺動する。なお、図４（ｂ）において二点鎖線で示す２つのミラー本体７２は、それぞれの方向に振動した状態におけるミラー本体７２を示すものである。
【００３６】
ここで、ミラー部５４を含む構造体による揺動方向は、駆動部２２による中心軸Ｌ２を中心とした揺動方向に直交する。したがって、光走査装置５０では、互いに直交する二方向にミラー部５４（ミラー本体７２）の反射面を揺動させることが可能となり、入射する光を二次元方向に走査させることができる。なお、光走査装置５０についても、上記同様、シャフト部６４が片持ち支持された構成としてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１０，５０  光走査装置
１２，５２  揺動部
１４，５４  ミラー部
１６ａ，１６ｂ  支持部
１８  軸受
２０  枠体
２２  駆動部
【図１】
2011197485.tif 000003
【図２】
2011197485.tif 000004
【図３】
2011197485.tif 000005
【図４】
2011197485.tif 000006