(57)【要約】      （修正有）【課題】大きな回転角が得られるとともに、リニアに鏡面の回転角を指定可能であり、かつ外形形状が小型化された光走査装置を提供する。【解決手段】Ｌ字形状の第１の拡大機構２５ａ及び第２の拡大機構２５ｂと、これらの第１の作用点４７ａと第２の作用点４７ｂとにより支持され、走査鏡９を備えた回転ブロック６と、第１及び第２の拡大機構２５ａ、２５ｂの第１及び第２の変位拡大腕５ａ、５ｂの長手方向に配置された圧電素子とを有する。第２の変位拡大腕５ｂの他端４７ｃには引っ張りばね８が設けられており、この引っ張りばね８の先端部が第２の作用点４７ｂとなる。第１の拡大機構２５ａと第２の拡大機構２５ｂとが開くように回動することで回転ブロック６が回動する。【選択図】図１
2011013592.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを走査する走査鏡を備えた光走査装置において、
一端側に第１の力点を有し、他端側に第１の作用点を有する第１の変位拡大腕と、一端側に第１の支点を有し、他端側が前記第１の力点に一体的に接続されており、前記第１の変位拡大腕と交差する方向に延びた第１の腕部と、を有する第１の拡大機構と、
一端側に第２の力点を有し、他端側に弾性部材を有し、かつ前記弾性部材の端部に第２の作用点を有する第２の変位拡大腕と、一端側に第２の支点を有し、他端側が前記第２の力点に一体的に接続されており、前記第２の変位拡大腕と交差する方向かつ前記第１の腕部が延びた方向とは反対側の方向に延びた第２の腕部と、を有する第２の拡大機構と、
前記第１の作用点と前記第２の作用点とにより支持され、前記走査鏡を備えた回転ブロックと、
伸張することによって、前記第１および第２の力点の少なくとも一方に押圧力を付与する圧電素子であって、前記第１の力点には、前記第１の力点から前記第１の作用点に向かう方向に向けて押圧力を付与し、前記第２の力点には、前記第２の力点から前記第２の作用点に向かう方向に向けて押圧力を付与する位置に配置されている圧電素子と、を有し、
前記押圧力が付与されていない状態では、前記第１の変位拡大腕と前記第２の変位拡大腕とは、並列に配置されており、
前記第１の力点に前記押圧力が付与されると、前記第１の拡大機構は、前記第１の支点周りに、前記第１の変位拡大腕が前記第２の変位拡大腕から離れる方向に向けて回動し、
前記第２の力点に前記押圧力が付与されると、前記第２の拡大機構は、前記第２の支点周りに、前記第２の変位拡大腕が前記第１の変位拡大腕から離れる方向に向けて回動し、
前記第１の拡大機構及び前記第２の拡大機構の少なくとも一方の前記回動によって前記回転ブロックが回動することを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記弾性部材は板ばねである、請求項１に記載の光走査装置。
【請求項３】
前記第２の作用点は、前記第１の変位拡大腕の前記第１の力点側から前記第１の変位拡大腕の長手方向に延びる延長線上に位置している、請求項１または２に記載の光走査装置。
【請求項４】
前記第２の作用点は、前記第１の変位拡大腕の前記第１の力点側から前記第１の変位拡大腕の長手方向に延びる延長線を、前記第２の変位拡大腕から前記第１の変位拡大腕に向けた方向に超えた位置に位置している、請求項１または２に記載の光走査装置。
【請求項５】
前記圧電素子を前記第１および第２の力点に押しつける調整機構を有する、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光走査装置。
【請求項６】
前記回転ブロックは、前記第１の作用点にて回転可能に軸支されている、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光走査装置。
【請求項７】
前記回転ブロックは頂部が形成された切り欠き部を有し、前記回転ブロックは、前記切り欠き部の前記頂部に当接している前記第１の作用点にて揺動可能に支持されている、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光走査装置。
【請求項８】
前記回転ブロックを、前記第１の作用点に向けて付勢する付勢機構を有する、請求項６または７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、入射光を走査する光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光スキャナは、レーザ距離計、レーザビームプリンタ、バーコードリーダ等に使用されている。近年では高解像度の投写式ディスプレイやヘッドマウントディスプレイなどへの応用が期待されている。
【０００３】
従来の光走査装置においては、ポリゴンミラーやガルバノミラーが用いられてきたが、近年ではフォトリソグラフィーによりシリコン基板を加工して鏡面とねじり梁を一体的に形成する振動ミラーが提案されている。
【０００４】
例えば、本発明に関連する光学的走査装置の一例が特許文献１に開示されている。この光学的走査装置は、電磁気、静電気または圧電効果による各力を波状的に作用させる偏向駆動手段を備えた外周部５２に、フレーム５５Ａ、支持梁５６Ｂ、揺動体５５Ｂが一体的に形成されている。このシリコン振動ミラーは、駆動手段として磁界が用いられ、プリント配線された揺動体駆動コイル５７Ａ、５７Ｂの作用部に永久磁石６０Ａ、６０Ｂ−６３Ａ、６３Ｂにより永久磁界が形成される。そして、コイル５７Ａ、５７Ｂへの振動的な駆動電流の印加により外周部５２に対して弾性を有する棒状の支持梁５６Ａを介して保持されているフレーム５５Ａは揺動する。また、フレーム５５Ａの内周部に弾性を有する棒状の支持梁５６Ｂを介して支持された揺動体５５Ｂも揺動する。このように、特許文献１に開示されたシリコン振動ミラーは、永久磁石及びコイルの配置と支持梁との配置の相違によりフレームと揺動体とは互いに直交する軸周りに揺動し、これにより光が２次元方向に走査される。
【０００５】
また、特許文献２には、駆動手段として圧電効果を用いた光走査装置が開示されている。この光学装置は、圧電ユニモルフ振動板３ａ〜３ｄと、支持体９と、弾性支持部２ａ、２ｂと、ミラー部１とを備え、これらは一体的に形成されている。支持体９は、圧電ユニモルフ振動板３ａ〜３ｄの一端を固定して支持する。弾性支持部２ａ、２ｂは、圧電ユニモルフ振動板３ａ〜３ｄに接続されている。ミラー部１は、弾性支持部２ａ、２ｂに接続され、これを介して圧電ユニモルフ振動板３ａ〜３ｄの駆動により空隙９′内で回転振動する。この光学装置は、圧電ユニモルフ振動板による共振駆動により、低い電力にて大きな振れ角が得られる。また、振動板、弾性支持部、ミラーを圧電素子の形成も含めて一体として加工・形成可能であるため個別部品の組立や位置合わせの必要が無く、精密かつ安価な光偏向器が得られる。なお、特許文献１の構成では１軸周りの揺動に対して４つの圧電振動板が必要であるが、特許文献２には２つの圧電振動板にて鏡面を駆動する構成が開示されている。
【０００６】
特許文献３には、駆動手段として圧電効果を用い、さらに圧電素子の変位を拡大する機構を備えた光走査装置が開示されている。この光走査装置では、圧電素子１の変位Ｂを拡大して伝達する構造として、対称位置に作用端を対向して配置した互いに反対方向に変位する２本のレバーアーム５、８を設置し、さらに２本のレバーアーム５、８の作用端を作用軸線を偏心させて接続することで２段の機械的変位拡大機構を構成している。この構造により圧電素子の変位の拡大率を高くとり、大きなミラー回転角度を得る。
【０００７】
また、特許文献４には、用途は光走査装置とは異なるが、特許文献３に開示された発明と同様に駆動手段として圧電効果を用い、さらに圧電素子の変位を拡大する機構を備えたワイヤドットプリンタヘッドが開示されている。特許文献３に開示された発明と同様に、２組のレバーアーム８、１０の組み合わせにより圧電素子７の変位を拡大して第３のアーム１６を大きく回転させ、出力ワイヤ１５の大きな変位を得ている。
【０００８】
ところで、本発明の応用対象の一つである光スキャナを用いたレーザビームプリンタでは、一次元方向の光走査により感光ドラム上に印刷パターンを書き込む。光スキャナは回転軸周りに鏡面を回転させることで入射ビームを走査するが、鏡面とビームの到達点である感光ドラムの表面との距離、すなわち光路長は、鏡面の正面に対しては短く、両端に対しては長いという特性がある。画像密度や感光特性の観点から感光ドラム上の光点の移動速度は一定であることが望ましいが、鏡面の回転角速度が一定であっても光路長差の特性から、光点の移動速度は感光ドラムの両端は遅く、一方、正面近くは速い、というように速度変動が生じてしまう。特に、小型化のため光走査角を大きくする設計をした場合、両端部と中央部の光路長の差はさらに拡大し、速度差も拡大する。また、共振を利用した光スキャナでは鏡面の回転角速度の変化は正弦波状となり、両端部で減速・停止し中央部では最高速度となるため、感光ドラム上での速度変動は更に拡大する。この課題に対処するためには、光学的に工夫するか、走査角に応じて鏡面の走査速度を調整する必要がある。
【０００９】
一方、本発明の他の応用対象である投射ディスプレイやヘッドマウントディスプレイなどでは、光ビームの２次元的走査が必要となる。図１２に、光ビームの２次元的走査の概念を説明するための図を示す。
【００１０】
図１２（Ａ）は直線的な走査方式を示しており、この直線的な走査方式は、例えば電子ビームを電気的に走査するＣＲＴなどに適用されている。ポリゴンミラーによる走査によっても走査角が小さい場合もしくは光学的な補正策を適用する場合は直線的な走査に近い走査が実現される。走査される光点の位置は、第一の方向にも第二の方向にも時間経過に対応して直線的に移動する。このため、直線的な走査方式は、２次元画像を表示する場合には画面を構成する画素データを送出するタイミングは単純でよく、また、画素密度の分布も均一であるという利点もある。
【００１１】
図１２（Ｂ）は第一の方向を振動的に走査する走査方式を示している。第一の走査方向への走査は、画面両端で減速・停止するため、画像表示時間は比較的速度変動の少ない画面中央部のみに限られる。また、第一方向への走査は交互に方向が変わるため、片方向のみ画像表示に使用する場合には実効的な画像表示時間が半分となり高解像度表示の場合には高い画像変調周波数が必要となる。これに対して双方向を画像表示に使用する場合には画像データの読み出し順を操作毎に正逆反転させる処理が必要となる。第二方向への走査は直線的な走査方式であることが望ましい。第二方向への走査が振動的であると、第一方向の制約と同等の制約が第二方向にも加わることなり、ディスプレイとしては非常に制約の大きいものとなってしまう。
【００１２】
以上のように、光スキャナとしては時間の経過に対して走査角が直線的に対応する、もしくは任意の角度を指定して駆動可能な機能が非常に重要となる。また、光走査装置の小型化の観点からは直線的走査機能に加え、大きな走査角を実現できることも重要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−０３５５４９号公報
【特許文献２】特開２００５−１２８１４７号公報
【特許文献３】実開平３−２９８２０号公報
【特許文献４】特開昭５９−１７８９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
光走査装置に上述した本願発明に関連する技術を適用した場合、それぞれ固有の課題を生ずる。
【００１５】
駆動力として電磁力を用いる場合、駆動電流に応じてリニアに鏡面の回転角を指定することが可能である一方、大きな回転角を得るのが困難である。これは、外部磁界に直交して電流を流す方式では、発生トルクが回転角に応じて減少してしまうといった基本的性質があることによる。
【００１６】
圧電ユニモルフ振動板を駆動手段として用い、共振を利用して振動的な駆動を得る方式の場合、電磁力を用いた場合とは逆に、大きな回転角が得られる一方、リニアに鏡面の回転角を指定するのが困難となる。また、圧電ユニモルフ振動板を用いた特許文献２に開示された装置の場合、装置の小型化が困難となる。すわなち、特許文献２に開示された装置は、半導体プロセスによりシリコン基板上に主要構成要素を一体加工でき、小型化と高精度化が可能であるが、鏡面の回転軸に直交して長い圧電ユニモルフ振動板が配置されているため、鏡面の小ささに比べ全体の形状が大きくなってしまう点が課題となる。
【００１７】
駆動手段として圧電素子を用い、さらに圧電素子の変位拡大機構を備えた方式の場合、大きな回転角が得られるとともに、リニアに鏡面の回転角を指定することが可能となる。しかしながら、引用文献３および引用文献４に開示された構造では、装置の小型化が困難となる。すわなち、各引用文献に開示された構造の場合、圧電素子を挟むようにして圧電素子の両端に長いレバーを直交して設置しているため、大きな外形形状が必要となる。
【００１８】
そこで、本発明は、大きな回転角が得られるとともに、リニアに鏡面の回転角を指定可能であり、かつ外形形状が小型化された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】
【００１９】
上記目的を達成するため、本発明の光走査装置は、光ビームを走査する走査鏡を備えた光走査装置において、一端側に第１の力点を有し、他端側に第１の作用点を有する第１の変位拡大腕と、一端側に第１の支点を有し、他端側が第１の力点に一体的に接続されており、第１の変位拡大腕と交差する方向に延びた第１の腕部と、を有する第１の拡大機構と、一端側に第２の力点を有し、他端側に弾性部材を有し、かつ弾性部材の端部に第２の作用点を有する第２の変位拡大腕と、一端側に第２の支点を有し、他端側が第２の力点に一体的に接続されており、第２の変位拡大腕と交差する方向かつ第１の腕部が延びた方向とは反対側の方向に延びた第２の腕部と、を有する第２の拡大機構と、第１の作用点と第２の作用点とにより支持され、走査鏡を備えた回転ブロックと、伸張することによって、第１および第２の力点の少なくとも一方に押圧力を付与する圧電素子であって、第１の力点には、第１の力点から第１の作用点に向かう方向に向けて押圧力を付与し、第２の力点には、第２の力点から第２の作用点に向かう方向に向けて押圧力を付与する位置に配置されている圧電素子と、を有し、押圧力が付与されていない状態では、第１の変位拡大腕と第２の変位拡大腕とは、並列に配置されており、第１の力点に押圧力が付与されると、第１の拡大機構は、第１の支点周りに、第１の変位拡大腕が第２の変位拡大腕から離れる方向に向けて回動し、第２の力点に押圧力が付与されると、第２の拡大機構は、第２の支点周りに、第２の変位拡大腕が第１の変位拡大腕から離れる方向に向けて回動し、第１の拡大機構及び第２の拡大機構の少なくとも一方の回動によって回転ブロックが回動することを特徴とする。
【００２０】
上記本発明の光走査装置は、圧電素子を用いて第１の拡大機構及び第２の拡大機構が互いに離れる方向に回動させることで走査鏡を備えた回転ブロックを回動させる。このため、大きな回転角が得られるとともにリニアに鏡面の回転角を指定可能となる。また、圧電素子が第１及び第２の力点から第１及び第２の作用点に向かう方向に向けて押圧力を付与するように配置されている。すなわち、圧電素子が第１及び第２の変位拡大腕の長手方向に向けて配置されているため、部品形状を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、大きな回転角が得られるとともに、リニアに鏡面の回転角を指定可能であり、かつ外形形状が小型化された光走査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光走査装置の側面図である。
【図２】図１に示した光走査装置の変位拡大部部分の一部拡大図である。
【図３】図２に示した部分をモデル化したものであり、本実施形態の光走査装置における走査鏡の駆動原理を説明する駆動原理図である。
【図４】オフセット量ｈを変更した場合における回転面中心線の回転角θの計算結果を計算モデルによって示す図である。
【図５】オフセット量ｈを変更した場合における回転面中心線の回転角θの計算結果を計算モデルによって示す図である。
【図６】オフセット量ｈを連続的に変化させた場合の、オフセット量ｈに対する回転角θの変化を示すグラフである。
【図７】図６における回転角θの最大値付近を拡大したグラフである。
【図８】光走査装置による走査方向を説明するための概念図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る光走査装置の側面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る光走査装置の側面図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る光走査装置の側面図である。
【図１２】光ビームの２次元的走査を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（第１の実施形態）
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
図１に、本実施形態の光走査装置の側面図を示す。また、図２に、図１に示した光走査装置の変位拡大部部分の一部拡大図を示す。また、図３に、図２に示した部分の力学モデルであり、本実施形態の光走査装置における走査鏡の駆動原理を説明する駆動原理図を示す。なお、図３（ａ）は圧電素子２による駆動力が付与されていない状態を示しており、図３（ｂ）は圧電素子２による駆動力が付与された状態を示している。
【００２５】
なお、図２の符号中（  ）内の符号は、図３で対応する符号を示すものである。
【００２６】
本実施形態の光走査装置は、固定枠１と、圧電素子２と、駆動ブロック３と、第１の拡大機構２５ａと、第２の拡大機構２５ｂと、回転ブロック６と、引っ張りばね８と、走査鏡９とを有する。
【００２７】
固定枠１は、互いに平行に配置された側部１ａ及び側部１ｂと、側部１ａの一端側と側部１ｂの一端側とを接続するように配置された底部１ｃとを有する。駆動ブロック３は、側部１ａの他端側と側部１ｂの他端側との間に配置されている。すわなち、駆動ブロック３は、底部１ｃの反対側に配置されている。また、固定枠１は、側部１ａ、側部１ｂ、底部１ｃ及び駆動ブロック３で囲まれた空間に収納部１ｄを有する。この収納部１ｄ内に圧電素子２が収納されている。収納部１ｄ内に収納された圧電素子２の一端側は底部１ｃに当接し、他端側は駆動ブロック３に当接している。この圧電素子２は、駆動ブロック３を底部１ｃに対して離間、近接させる方向が伸縮方向となるように収納部１ｄ内に収納されている。つまり、圧電素子２は、駆動対象である第１の力点４６ａ及び第２の力点４６ｂとの間に配置されていない。圧電素子２は、伸縮することで駆動ブロック３を介して、第１の力点４６ａ及び第２の力点４６ｂに、第１の変位拡大腕５ａ及び第２の変位拡大腕５ｂの長手方向への駆動力を付与する（なお、各力点、各変位拡大腕等については以下に説明する）。
【００２８】
次に、第１の拡大機構２５ａおよび第２の拡大機構２５ｂについて説明する。
【００２９】
第１の拡大機構２５ａは、本実施形態においては、図１および図２に示すように、平面形状が長方形となっている。しかしながら、第１の拡大機構２５ａは、モデル化されることで図３のように平面形状がＬ字形状となる。第２の拡大機構２５ｂについても同様であり、その平面形状は、図１および図２では長方形のものが一例として示されているが、モデル化されることでＬ字形状となる。
【００３０】
ここで、まず、図３（ａ）を用いて、モデル化された第１の拡大機構２５ａおよび第２の拡大機構２５ｂの構成について説明しておく。
【００３１】
第１の拡大機構２５ａは、第１の変位拡大腕５ａおよび第１の腕部１５ａを有し、平面形状がＬ字形状となっている。第１の変位拡大腕５ａがＬ字形状の長手部分を構成し、第１の腕部１５ａがＬ字形状の短手部分を構成している。第１の変位拡大腕５ａは、その一端側に第１の力点４６ａを有し、その他端側に第１の作用点４７ａを有する。第１の腕部１５ａは、その一端側が第１の変位拡大腕５ａの第１の力点４６ａに接続されており、他端側に第１の支点４５ａを有する。
【００３２】
第２の拡大機構２５ｂは、第２の変位拡大腕５ｂおよび第２の腕部１５ｂを有し、平面形状がＬ字形状となっている。第２の変位拡大腕５ｂがＬ字形状の長手部分を構成し、第２の腕部１５ｂがＬ字形状の短手部分を構成している。第２の変位拡大腕５ｂは、その一端側に第２の力点４６ｂを有し、第２の変位拡大腕５ｂの他端４７ｃに弾性部材からなる引っ張りばね８を有し、この引っ張りばね８の端部に第２の作用点４７ｂを有する。第２の腕部１５ｂは、その一端側が第２の変位拡大腕５ｂの第２の力点４６ｂに接続されており、他端側に第２の支点４５ｂを有する。
【００３３】
これらＬ字形状の第１の拡大機構２５ａと第２の拡大機構２５ｂとは、長手部分が並列に配置され、短手部分が互いに外側を向くようにして配置されている。なお、第２の変位拡大腕５ｂの長さｌｂは、第１の変位拡大腕５ａの長さｌａよりも長い。また、第２の変位拡大腕５ｂの他端側は、第１の拡大機構２５ａに向けて曲げられた部分を有し、曲げられた先端部に第２の作用点４７ｂを有する。すなわち、第２の変位拡大腕５ｂの他端４７ｃに、第１の拡大機構２５ａに向くようにして引っ張り部材８が設けられており、この先端が第２の作用点４７ｂとなっている。この第２の作用点４７ｂは、図３（ａ）に示す例において、第１の変位拡大腕５ａの第１の力点４６ａ側から第１の変位拡大腕５ａの長手方向に延びる延長線４８上に位置している。
【００３４】
次に、図１および図２に示された実際の形状の第１の拡大機構２５ａおよび第２の拡大機構２５ｂと、図３（ａ）に示されたモデル化された第１の拡大機構２５ａおよび第２の拡大機構２５ｂとの対応関係について説明する。
【００３５】
第１の拡大機構２５ａおよび第２の拡大機構２５ｂは、図１および図２に示すように、固定枠１の外側であって、かつ駆動ブロック３が配置された側に並列に配置されている。
【００３６】
第１の拡大機構２５ａの第１の変位拡大腕５ａは、その長手方向の一端側に第１の力点４６ａとなる弾性ヒンジ４ａ２を有するとともに、他端側に第１の作用点４７ａを有する。第１の力点４６ａと第１の作用点４７ａとは、図３に示すように、距離ｌａだけ離れて配置されている。なお、本実施形態では、第１の作用点４７ａに穴４７ａ１が形成されている。また、第１の変位拡大腕５ａの一端側には、第１の変位拡大腕５ａの長手方向と交差する方向であって、第１の力点４６ａから距離ｄだけ離れた位置に、第１の支点４５ａとなる弾性ヒンジ４ａ１が設けられている。第１の拡大機構２５ａは、弾性ヒンジ４ａ１を介して固定枠１の側部１ａに接続されているとともに、弾性ヒンジ４ａ２を介して駆動ブロック３に接続されている。
【００３７】
本実施形態においては、第１の変位拡大腕５ａの、第１の支点４５ａと第１の力点４６ａとを結ぶ部分が第１の腕部１５ａを構成している。換言すれば、第１の支点４５ａを有し、長さｄの第１の腕部１５ａが、第１の力点４６ａにおいて第１の変位拡大腕５ａに一体的に設けられていることとなる。
【００３８】
第２の変位拡大腕５ｂは、長手方向の一端側に第２の力点４６ｂとなる弾性ヒンジ４ｂ２を有するとともに、他端側に第２の作用点４７ｂを有する。第２の力点４６ｂと第２の作用点４７ｂとは、距離ｌａよりも長い距離ｌｂだけ離れて配置されている。なお、本実施形態では、第２の変位拡大腕５ｂは、その他端４７ｃに引っ張りばね８を有しており、この引っ張りばね８の先端部分に第２の作用点４７ｂが配置されるように構成されている。第２の変位拡大腕５ｂの一端側には、第２の変位拡大腕５ｂの長手方向と交差する方向であって、第２の力点４６ｂから距離ｄだけ離れた位置に、第２の支点４５ｂとなる弾性ヒンジ４ｂ１が設けられている。第２の変位拡大腕５ｂは、弾性ヒンジ４ｂ１を介して固定枠１の側部１ｂに接続されており、弾性ヒンジ４ｂ２を介して駆動ブロック３に接続されている。
【００３９】
本実施形態においては、第２の変位拡大腕５ｂの、第２の支点４５ｂと第２の力点４６ｂとを結ぶ部分が第２の腕部１５ｂを構成している。換言すれば、第２の支点４５ｂを有し、長さｄの第２の腕部１５ｂが、第２の力点４６ｂにおいて第２の変位拡大腕５ｂに一体的に設けられていることとなる。なお、第２の腕部１５ｂは、第１の腕部１５ａが延びる方向とは反対側の方向に延びている。
【００４０】
次に、第１の拡大機構２５ａおよび第２の拡大機構２５ｂとの各部の位置関係について説明する。
【００４１】
第１の変位拡大腕５ａと第２の変位拡大腕５ｂとは、圧電素子２による駆動力が付与されていない状態では、間隔Ｐだけ空けて並列に配置されている。また、第１の支点４５ａは第１の力点４６ａの外側に配置され、第２の支点４５ｂは第２の力点４６ｂの外側に配置されている。つまり、図３に示すように、Ｌ字形状の第１の拡大機構２５ａと第２の拡大機構２５ｂとは、鏡面対称となるように配置されている。
【００４２】
第２の作用点４７ｂは、第１の変位拡大腕５ａの第１の力点４６ａ側から第１の変位拡大腕５ａの長手方向に延びる延長線４８上に位置している。なお、第２の作用点４７ｂは、第１の変位拡大腕５ａの第１の力点４６ａ側から第１の変位拡大腕５ａの長手方向に延びる延長線４８よりも第２の変位拡大腕５ｂから離れた位置に位置している上に位置しているものであってもよい。つまり、図３では、第２の作用点４７ｂでは延長線４８上に位置している例を示しているが、第２の作用点４７ｂは、延長線４８から図３中ｙ方向に離れた位置に配置されているものであってもよい。
【００４３】
ここで、延長線４８から第２の作用点４７ｂまでのｙ方向のオフセット量ｈと、回転面中心線６５の回転角θとの関係について図４〜図７に示す計算例を用いて説明する。圧電素子２による駆動量を各計算例では駆動角θ1として表示している。なお、圧電素子２による駆動量が３５μｍのとき、駆動角θ1は０．０５ｒａｄ（２．８６°）となる。また、オフセット量ｈの符号は、第２の作用点４７ｂが延長線４８を超えることなく延長線４８の手前側に配置された場合は正の値をとる。つまり、第２の作用点４７ｂが第１の変位拡大腕５ａと第２の変位拡大腕５ｂとの間に位置する場合（引っ張りばね８の長さが第１の変位拡大腕５ａと第２の変位拡大腕５ｂとの間隔よりも短い）、オフセット量ｈは正の値となる。一方、第２の作用点４７ｂが延長線４８上に配置されるとオフセット量ｈはゼロとなり、第２の作用点４７ｂが延長線４８を超えた位置に配置された場合（引っ張りばね８の長さが第１の変位拡大腕５ａと第２の変位拡大腕５ｂとの間隔よりも長い）は負の値をとることとなる。
【００４４】
図４及び図５は、オフセット量ｈを変更した場合における第１の拡大機構２５ａおよび第２の拡大機構２５ｂの計算モデルを図示したものである。図４（ａ）はｈ＝０、図４（ｂ）はｈ＝−０．５９ｍｍ、図５（ａ）はｈ＝−１．０ｍｍ、図５（ｂ）はｈ＝−２．０ｍｍ、図５（ｃ）はｈ＝１．０ｍｍの場合の計算結果を、計算モデルを用いて図示したものである。また、図６は、ｈ＝−２．０ｍｍ〜ｈ＝２．０ｍｍまで連続的に変化させたときの回転面中心線６５の回転角θの変化をグラフ化したものであり、図７は、図６における回転角θが最大値となる付近を拡大したグラフである。
【００４５】
図４（ａ）はｈ＝０，すなわち、第２の作用点４７ｂが延長線４８に位置する場合を示している。αで示すラインは駆動力が印加される前の状態を示したものである。βで示すラインは駆動力が印加された後の状態を示したものであり、駆動量は駆動角θ1として付与されている。駆動力が印加される前のαの状態から駆動角θ1が付与されるとβの状態となり、回転角θ＝２２．９４°となる。ｈ＝−０．５９ｍｍのとき（図４（ｂ））、回転角θ＝２５．９７°となり最大値となる。
【００４６】
以上、各種条件のもと計算を実施したところ、以下の点が明らかとなった。
【００４７】
図４（ｂ）のように駆動力が印加される前のαの状態のときにはｈが負の値をとり、駆動力が印加された後のβの状態のときにはｈが正の値をとるように第２の作用点４７ｂを配置すると、回転面中心線６５の回転角θが大きくなる。
【００４８】
また、回転面中心線６５の回転角θの最大値を与えるオフセット量ｈは、駆動角θ1により異なる。例えば、駆動角θ1が０．０５ｒａｄのときに回転面中心線６５の回転角θの最大値を与えるオフセット量ｈはｈ＝−０．５９ｍｍであり、駆動角θ1が０．１ｒａｄのときに回転面中心線６５の回転角θの最大値を与えるオフセット量ｈはｈ＝−０．８６３ｍｍとなる。
【００４９】
なお、本実施形態では、固定枠１、駆動ブロック３、第１の変位拡大腕５ａ、第１の腕部１５ａ、第２の変位拡大腕５ｂ、第２の腕部１５ｂ、及び弾性ヒンジ４ａ１、４ａ２、４ｂ１、４ｂ２は一つの部材によって一体的に構成されている。なお、上述した弾性ヒンジ４ａ１、４ａ２、４ｂ１、及び４ｂ２は、容易に弾性変形することができるように、固定枠１や変位拡大腕５ａ、５ｂ等に比べ細く形成されている。
【００５０】
回転ブロック６は、面６ａ上に走査鏡９を有するとともに、穴６ｂを有する。この穴６ｂの直径は、第１の変位拡大腕５ａの穴４７ａ１よりも小さい。また、穴６ｂ内には軸５０が嵌め込まれており、この軸５０は穴４７ａ１内に差し込まれている。軸５０と穴４７ａ１との間には隙間が形成されている。すわなち、回転ブロック６は、第１の作用点４７ａを中心として回動可能なように、第１の拡大機構２５ａの第１の変位拡大腕５ａに軸支されている。また、回転ブロック６には、引っ張りばね８が第２の作用点４７ｂにて取り付けられている。つまり、引っ張りばね８は、第２の拡大機構２５ｂの第２の変位拡大腕５ｂと回転ブロック６とを弾性的に結合している。
【００５１】
次に、本実施形態の光走査装置の動作について図３を用いて説明する。図３（ａ）は圧電素子２による駆動力が付与されていない状態を示しており、図３（ｂ）は圧電素子２による駆動力が付与された状態を示している。
【００５２】
上述したように圧電素子２は、伸縮することで駆動ブロック３を介して、第１の力点４６ａ及び第２の力点４６ｂに、第１の変位拡大腕５ａ及び第２の変位拡大腕５ｂの長手方向への駆動力を付与する。
【００５３】
図３（ａ）に示すように、圧電素子２による駆動力が付与されていない状態では、第１の変位拡大腕５ａと第２の変位拡大腕５ｂとは、互いに間隔Ｐを空けて並列に配置されている。また、第１の腕部１５ａ及び第２の腕部１５ｂは一直線上に配置されている。第１の作用点４７ａ及び第２の作用点４７ｂは、いずれも延長線４８上に位置している。ここで、第１の作用点４７ａと第２の作用点４７ｂとを結ぶ直線を回転面中心線６５とする。圧電素子２による駆動力が付与されていない状態では、回転面中心線６５は、第１の変位拡大腕５ａの長手方向に延びた延長線４８上に位置している。
【００５４】
図３（ｂ）に示すように、圧電素子２による駆動力が第１の作用点４７ａに付与されると、第１の拡大機構２５ａは第１の支点４５ａを中心に図中時計方向（矢印Ａ方向）に回転する。一方、これと同時に第２の作用点４７ｂにも圧電素子２による駆動力が付与される。これにより、第２の拡大機構２５ｂは第２の支点４５ｂを中心に図中反時計方向（矢印Ｂ方向）に回転する。すわなち、平行な状態にあった第１の変位拡大腕５ａと第２の変位拡大腕５ｂとは、圧電素子２による駆動力が第１の作用点４７ａ及び第２の作用点４７ｂに付与されることで、開くようにして互いに離れる方向に回転移動する。このとき、第１の作用点４７ａと第２の作用点４７ｂとを結ぶ直線である回転面中心線６５は、図３（ａ）の状態から第１の作用点４７ａを中心に角度θだけ回転する。本発明の光走査装置は、この回転面中心線６５の回転量に基づいて走査鏡９の走査角が決まる構造となっている。すわなち、回転面中心線６５の回転角θが大きければ大きいほど、走査鏡９の走査角も大きくなる。
【００５５】
なお、図３（ｂ）に示す第１の力点４６ａ及び第２の力点４６ｂの移動量ｘに対して回転角θを出来るだけ大きくするためには、第１の変位拡大腕５ａの長さｌａをできるだけ長くする一方、第１の腕部１５ａ及び第２の腕部１５ｂの長さｄをできるだけ短くするとともに第１の変位拡大腕５ａと第２の変位拡大腕５ｂとの長さの差ｇもできるだけ短くするのが好ましい。
【００５６】
例えば、ｄ＝０．７ｍｍ、ｌａ＝６ｍｍ、ｇ＝１．４ｍｍ、ｐ＝４ｍｍであり、駆動前の第１の変位拡大腕５ａと第２の変位拡大腕５ｂとの間の開き角θ＝１．３１°であったとする。このような条件において、駆動力を付与し、第１の力点４６ａ及び第２の力点４６ｂをｘ＝１６μｍだけ移動させると、回転面中心線６５は、角度θ＝１１．７°となるまで回転する。
【００５７】
つまり、本実施形態の光走査装置は、第一に、長さの長い第１の変位拡大腕５ａ及び第２の変位拡大腕５ｂを有するＬ字型構造の部材を用いることで、第１の力点４６ａ及び第２の力点４６ｂの移動量に対して第１の作用点４７ａ及び第２の作用点４７ｂを大きく変位させている。そして、第二に、第１の作用点４７ａを回転中心とする、第１の作用点４７ａと第２の作用点４７ｂとを結ぶ直線を回転面中心線６５の回転を利用することで大きな回転角を得ている。このように、本実施形態の光走査装置は、第１の力点４６ａ及び第２の力点４６ｂの移動量がわずかであっても大きな走査角が得られる。上述した具体例の場合、第１の力点４６ａ及び第２の力点４６ｂをわずか１６μｍ移動させただけで角度θは８．９倍にまで拡大させることができる。
【００５８】
上述のように本実施形態の構成は、大きな回転角を得ることができるが、図３（ｂ）に示すように第１の変位拡大腕５ａ及び第２の変位拡大腕５ｂが開くにつれ、第１の作用点４７ａと他端４７ｃとの間の距離が長くなることとなる。そこで、本実施形態では、第２の変位拡大腕５ｂの他端４７ｃに弾性部材からなる引っ張りばね８を設け、引っ張りばね８の端部を第２の作用点４７ｂとしている。この構成によれば、図３（ｃ）に示すように、引っ張りばね８が第１の作用点４７ａと他端４７ｃとの間の伸び分を吸収しつつ、回転ブロック６を引っ張ることで回転ブロック６を回転させることができる。
【００５９】
なお、図３のモデル図では、第１の作用点４７ａと第２の作用点４７ｂとの間の距離が長くなることの理解を容易にするため、第１の変位拡大腕５ａ及び第２の変位拡大腕５ｂをかなり近接して描いている。このため、回動時には引っ張りばね８はその長手方向に大きく伸張するとともに撓むことで第１の作用点４７ａと他端４７ｃとの間の伸び分を吸収するように描かれている。しかしながら、実際には、図２のように第１の変位拡大腕５ａと第２の変位拡大腕５ｂとの間が比較的離れて配置されているため、板バネの撓みによって第１の作用点４７ａと他端４７ｃとの間の伸び分を吸収することができる。つまり、図３（ａ）に示すように第２の変位拡大腕５ｂに対して直角に設けられていた引っ張りばね８が、図３（ｃ）に示すように角度θ2だけ撓むことで第１の作用点４７ａと他端４７ｃとの間の伸び分が吸収されることとなる。
【００６０】
以上の構成を有する本実施形態の光走査装置によれば、以下の効果が得られる。
【００６１】
駆動力として電磁力を使用する本発明に関連する技術の場合、外部磁界に直交して電流を流す方式では発生トルクが回転角に応じて減少するという基本的性質があるため、大きな回転角を得るのが困難であった。しかしながら、本実施形態の場合、圧電素子２を駆動源としているため、回転角の増大によって発生トルクが影響を受けることがない。このため、本実施形態によれば、発生トルクの制限によって、走査角が制限を受けることがない。
【００６２】
圧電ユニモルフ振動板を駆動手段として使用する本発明に関連する技術の場合、共振を利用した振動的な揺動の駆動では大きな回転角が得られるが、リニアな駆動には適用が困難である。しかしながら、本実施形態の場合、圧電素子２を駆動源としているため、時間の推移に対してリニアに回転角を増加させたり、走査の部位によって回転角変化の速度を変化させるなど任意の駆動波形に追従する回転角変化を得ることができる。
【００６３】
上述のように圧電素子を用いることで、発生トルクの影響を受けることがないので大きな回転角を得られるとともに、入力に比例した回転角を得ることができる。しかしながら、本発明に関連する技術では、圧電素子が力点の間に配置されていたため、装置が大型化してしまう傾向にあった。これに対して、本実施形態の光走査装置では、圧電素子２が、駆動対象である第１の力点４６ａ及び第２の力点４６ｂとの間に配置されていない。このため、第１の力点４６ａと第２の力点４６ｂとの間を大きくする必要がないので、装置を小型化することができる。
【００６４】
また、本発明の場合、回転角をできるだけ大きくするためには、第１の腕部１５ａ及び第２の腕部１５ｂの長さｄができるだけ短いほうが好ましいため、本質的に小さい形状となる。また、駆動前における第１の作用点４７ａと第２の作用点４７ｂとは、一直線上に配置されているとともに、圧電素子２の中心線近傍に配置されているため、部品形状を本質的に小さくすることができる。
【００６５】
次に、図８に、本実施形態の光走査装置を垂直スキャナとして適用した２次元光走査装置の一例を示す。なお、図８（ａ）は２次元光走査装置の平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＡ方向からみた矢視図である。
【００６６】
図８に示す２次元光走査装置は、レーザ光源１００と、水平スキャナ８０と、垂直スキャナ９０とを有する。レーザ光源１００から出射される十分に細く絞った光ビーム１１０は、水平スキャナ８０内の鏡面に反射し、水平方向に走査されて垂直スキャナ９０内の鏡面へむけて投射される。垂直スキャナ９０で反射されたビームは、垂直走査方向に走査されてラスタ画像１３０として外部へ投射される。
【００６７】
本装置において水平スキャナ８０で走査された光ビーム１１０は水平走査ビーム１２０として扇形に投射されるため、水平スキャナ８０と垂直スキャナ９０間の距離が大きいと垂直スキャナ９０内の鏡面はこれをすべて反射すべく広い幅が必要となり、装置全体が大きくなってしまう。本発明に従う構成では垂直スキャナ９０の鏡面を水平スキャナ８０に近づけることができるため、２次元光走査装置全体を小型化できる。
【００６８】
本発明によれば垂直スキャナ９０の鏡面を任意の走査角変化にて駆動できるため、コンパクトで大きな走査角の光走査装置が得られる。
（第２の実施形態）
次に、図９に本実施形態の光走査装置の側面図を示す。
【００６９】
本実施形態の光走査装置は、固定枠１の底部１ｃにねじ穴１ｃ１が形成され、このねじ穴１ｃ１に調整ねじ１１が螺合され、かつ調整ねじ１１の先端部に調整ブロック１０が配置されている以外は、第１の実施形態で説明した光走査装置と同様である。よって、本発明の光走査装置の基本的な構造及び動作等に関する説明は省略するものとする。また、以下の説明において用いる符号も、第１の実施形態の説明で用いた符号を用いるものとする。
【００７０】
本実施形態の光走査装置は、調整ねじ１１をねじ込むことで、調整ブロック１０が圧電素子２を駆動ブロック３側に押しつけるようにしている。本発明の光走査装置は、第１の力点４６ａ及び第２の力点４６ｂのわずかな移動を大きな回転角に変換させることができる。一方、圧電素子２と駆動ブロック３とを確実に当接させておかないと、圧電素子２のわずかな伸縮を確実に駆動ブロック３に伝達させることができなくなってしまう。このため、固定枠１、駆動ブロック３及び圧電素子２には高い加工精度が要求されることとなる。そこで、本実施形態の光走査装置では、調整ねじ１１をねじ込むことで圧電素子２を駆動ブロック３に確実に押しつけるようにしている。このため、固定枠１、駆動ブロック３及び圧電素子２に対する加工精度の要求を緩和させることができる。組み立ての際は、圧電素子２を調整ブロック１０と駆動ブロック３の間に挿入した後、圧電素子２への駆動電圧の変化に比例して走査鏡の走査角が変化するよう、調整ねじ１１を回転させればよい。
【００７１】
また、本実施形態によれば、調整ねじ１１の締め付け具合により、走査鏡９の走査範囲の中心をずらして調整することができるという効果も得られる。
（第３の実施形態）
次に、図１０に本実施形態の光走査装置の側面図を示す。
【００７２】
本実施形態の光走査装置は、回転ブロック６を、第１の作用点４７ａに位置する軸５０に向けて押しつける押さえばね２０を有する以外は、第２の実施形態で説明した光走査装置と同様である。よって、本発明の光走査装置の基本的な構造及び動作等に関する説明は省略するものとする。また、以下の説明において用いる符号も、第２の実施形態の説明で用いた符号を用いるものとする。
【００７３】
回転ブロック６の回転動作を可能とするため、軸５０と穴４７ａ１との間には隙間が形成されているが、円滑なる回転動作を実現するためには、適正な隙間間隔にする必要がある。間隙が小さすぎると回転ブロック６が滑らかに回転せず、走査鏡９の走査速度に変動が生じる。その結果、光走査装置が投影する画像に濃度むらが生じてしまい、画像の品質が低下してしまう。
【００７４】
また、本発明の光走査装置の走査は基本的に往復走査であるため、走査方向は走査範囲の両端で反転する。このため、軸５０と回転ブロック６の穴４７ａ１との間隙が大きすぎると、走査方向の反転時に回転ブロック６が間隙の範囲内で移動し、走査鏡９の振動を励起してしまう。走査鏡９が振動すると走査鏡９の走査速度に変動を生じる。その結果、光走査装置が投影する画像に濃度むらが生じてしまい画像の品質が低下してしまう。従って高い画像品質が要求される場合、軸５０及び穴４７ａ１には高い加工精度が要求される。
【００７５】
そこで、本実施形態では、軸５０と穴４７ａ１との隙間の問題を解消するため、当該隙間を大きくしておき、押さえばね２０によって回転ブロック６を軸５０に向けて押しつける構成としている。すわなち、隙間を大きくすることで間隙が小さすぎる場合に生じる走査鏡９の走査速度の変動を抑制することができるとともに、回転ブロック６を軸５０に押しつけることで隙間が大きすぎる場合に生じる走査鏡９の振動の発生を抑制することができる。また、本実施形態によれば、穴４７ａ１の加工精度を緩和することができる。
（第４の実施形態）
次に、図１１に本実施形態の光走査装置の側面図を示す。
【００７６】
本実施形態の光走査装置には、回転ブロック６には、穴６ｂが形成されておらず、これに代えて、切り欠き部６ｃが形成されている。また、第１の変位拡大腕５ａには突起部５ａが形成されている。なお、これら以外は、第３の実施形態で説明した光走査装置と同様である。よって、本発明の光走査装置の基本的な構造及び動作等に関する説明は省略するものとする。また、以下の説明において用いる符号も、第３の実施形態の説明で用いた符号を用いるものとする。
【００７７】
切り欠き部６ｃの断面形状は三角形状であり、この三角形の頂部に突起部５ａの先端部が当接している。つまり、本実施形態の第１の作用点４７ａは突起部５ａの先端部であり、この先端部を中心に回転ブロック６が回転するように構成されている。本実施形態においても押さえばね２０が用いられている。この押さえばね２０は、回転ブロック６を突起部５ａに押しつけるようにして付勢している。このため、切り欠き部６ｃの頂部と突起部５ａの先端部とを確実に当接させることができるとともに、回転ブロック６が第１の変位拡大腕５ａの突起部５ａから脱落するのを防止している。
【００７８】
本実施形態によれば、軸と穴とを用いた場合に生じる隙間による問題を生じないとともに、軸が不要であるため、部品点数を削減することができる。また、単純な直線同士の接触にて回転中心が保持されるので部品加工を容易化できる。
【符号の説明】
【００７９】
１    固定枠
１ａ、１ｂ    側部
１ｃ    底部
１ｃ１    穴
１ｄ    収納部
２    圧電素子
３    駆動ブロック
４ａ１、４ａ２、４ｂ１、４ｂ２    弾性ヒンジ
５ａ    突起部
５ａ    第１の変位拡大腕
５ｂ    第２の変位拡大腕
６    回転ブロック
６ａ    面
６ｂ    穴
６ｃ    切り欠き部
７    圧電素子
９    走査鏡
１０    調整ブロック
１５ａ    第１の腕部
１５ｂ    第２の腕部
２５ａ    第１の拡大機構
２５ｂ    第２の拡大機構
４５ａ    第１の支点
４５ｂ    第２の支点
４６ａ    第１の力点
４６ｂ    第２の力点
４７ａ    第１の作用点
４７ｂ    第２の作用点
４７ｃ    端部
４７ａ１    穴
４８    延長線
５０    軸
６５    回転面中心線
８０    水平スキャナ
９０    垂直スキャナ
１００    レーザ光源
１１０    光ビーム
１２０    水平走査ビーム
１３０    ラスタ画像
【図１】
2011013592.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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