(57)【要約】【課題】自体的な機械的構造によってローパスフィルタを提供し、駆動力の中から特定の高周波成分を除去することができるスキャナを提示する。【解決手段】光源を外部に走査するミラー１１０には互いに直交する二つのねじり軸１２１，１２３が内部ジンバル１３１および外部ジンバル１３２によって連結されており、内部ジンバルおよび外部ジンバルの間には連結軸１２２が形成される。外部ジンバルに延長された軸と同一の軸線上に配置される連結軸を外部ジンバルおよび内部ジンバルの間に形成し、所望しない高周波振動が内部ジンバルの間に位置した振動体１１０に伝達することを遮断する。このように構成して、電子的な制御が必要ないため別途の部品を要さないと同時に、比較的簡単な機械的設計の変更だけでローパスフィルタを提供し、生産性が高く追加的な費用消耗がほぼないという効果を有する。【選択図】図３
2008026849.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源を反射して外部に走査するミラーと、
前記ミラー周囲に形成された内部ジンバルと、
駆動コイルを備え、前記内部ジンバル周囲に形成された外部ジンバルと、
前記外部ジンバル周囲に形成されたフレームと、
前記ミラーと前記内部ジンバルを連結する第１ねじり軸と、
前記第１ねじり軸と垂直な関係を成しており、前記内部ジンバルと前記外部ジンバルを連結する連結軸と、
前記連結軸と平行な関係を成しており、前記外部ジンバルと前記外部フレームを連結する第２ねじり軸と、
磁場を形成するとともに、当該磁場が前記第２ねじり軸の軸方向と任意の角度を有する永久磁石と、
を含み、
前記磁場および前記駆動コイルによって発生した駆動力によって前記ミラーを前記第１ねじり軸および前記第２ねじり軸を中心として振動させつつ、前記第２ねじり軸を中心とした振動成分の中で、高周波振動は前記連結軸を介してフィルタリングで除去され、前記ミラーに伝達されることを特徴とするスキャナ。
【請求項２】
前記第１ねじり軸を中心として振動するミラーの固有振動数は、前記第２ねじり軸で振動する外部ジンバルの固有振動数より大きいことを特徴とする請求項１に記載のスキャナ。
【請求項３】
前記内部ジンバルの固有振動数は、前記外部ジンバルを第２ねじり軸で加振させるための前記外部入力振動数の中で、フィルタリングで除去しようとする周波数の１／√２以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のスキャナ。
【請求項４】
前記ミラーの背面には突出形成されたリブが備えられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスキャナ。
【請求項５】
前記リブは、
前記第１ねじり軸と垂直関係を成す複数の垂直リブと、
前記第１ねじり軸と一定の離隔距離を有し、前記垂直リブと垂直関係を成す水平リブと、
を含む請求項４に記載のスキャナ。
【請求項６】
前記リブは、複数の基板を積層した後、下部基板をエッチングして形成したことを特徴とする請求項４または５に記載のスキャナ。
【請求項７】
前記内部ジンバルおよび外部ジンバルの少なくとも一方の背面には、円周方向に突出形成された円周リブを備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のスキャナ。
【請求項８】
前記円周リブは、複数の基板を積層した後、下部基板をエッチングして形成したことを特徴とする請求項７に記載のスキャナ。
【請求項９】
前記内部ジンバルおよび外部ジンバルの少なくとも一方の背面には、放射方向に突出形成された複数の放射リブが備えられたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のスキャナ。
【請求項１０】
前記放射リブは、複数の基板を積層した後、下部基板をエッチングして形成したことを特徴とする請求項９に記載のスキャナ。
【請求項１１】
前記第１ねじり軸、第２ねじり軸および連結軸のうち、少なくとも一つの背面には、突出形成されたリブが備えられたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のスキャナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスキャナに関し、より詳細には、比較的簡単な機械的設計の変更だけでローパスフィルタを提供して外部入力の中から特定の高周波成分を除去することができ、高周波によるぶれを除去することができるスキャナに関する。
【０００２】
スキャナは、主にレーザーなど光源の経路を変更するためのものであって、簡単には、レーザープリンタ（ｌｅａｔｈｅｒ  ｐｒｉｎｔｅｒ）やバーコードリーダ（ｂａｒ  ｃｏｄｅ  ｒｅａｄｅｒ）などに用いられたり、レーザーテレビなどのように複雑な映像を処理するための装置に用いられたりする。一般的に、レーザーは直進する性質により直線経路に沿って提供されるため、スキャナを用いて経路を変更した後、スクリーンなどに投射して所望する映像を得る。
【０００３】
このようなスキャナは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）技術に基づいて製造されるミラーを含む。従来には、レーザーの経路を転換するために一つのミラーを２軸で動かすことで、レーザーの経路を２次元的に変更する方法があった。
【０００４】
図１は、従来のスキャナを示した斜視図である。
【０００５】
図１を参照すると、スキャナ２０は、中央の反射コーティングされたミラー２２と、ミラー２２から両端に延長した水平ねじり軸２３と、前記水平ねじり軸２３と連結してミラー２２周辺に形成された内部フレーム２４と、内部フレーム２４から延長して水平ねじり軸２３と垂直な関係で形成される垂直ねじり軸２５と、垂直ねじり軸２５と連結した外部フレーム２６と、を含む。
【０００６】
ジンバル（ｇｉｍｂａｌ）構造の前記内部フレーム２４にはコイル２７が形成されており、電流を流すと外部から加えられた磁場と反応してスキャナ２０を駆動させるモーメント（ｍｏｍｅｎｔ）を発生させる。コイル２７に電流を供給して水平ねじり軸および垂直ねじり軸に任意の角度に傾いた方向で磁場を形成すると、磁場と電流方向に垂直方向にトルクが発生し、発生したトルクは水平ねじり軸と垂直ねじり軸の二つの成分に分解され、ミラー２２は水平ねじり軸２３を中心として振動し、また内部フレーム２４およびミラー２２が垂直ねじり軸２５を中心として振動する。その結果、前記スキャナ２０は、映像信号を２軸に分配することができる。
【０００７】
このようなミラーの２軸駆動に対して、より詳しく説明すると次のようになる。スキャナ２０を用いて外部に位置したスクリーンに映像を投射するためには、ミラー２２を垂直ねじり軸２５を中心として、例えば約６０Ｈｚののこぎり波状で振動させ、水平ねじり軸２３を中心として比較的高周波である約２０ＫＨｚの正弦波で振動させて走査線をスクリーンに投射する。すなわち、水平ねじり軸２３の高周波振動はスクリーン上で走査線を水平に走査し、垂直ねじり軸２５の低周波振動はスクリーン上で走査線の垂直移動をさせるようになり、２次元的な映像をスクリーン上に具現することができる。
【０００８】
垂直および水平にミラー２２を振動させるためのそれぞれのモーメントは、合成された一つのモーメントとしてミラー２２に提供することができる。すなわち、このような合成モーメントは略低周波の波形形状を有しており、このような低周波信号上に高周波信号を変調（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）させた形態で現わす。
【０００９】
ミラーの垂直ねじり軸２５を中心として振動する質量の共振周波数を約１ｋＨｚで設計し、水平ねじり軸２３を中心として振動する質量の共振周波数を約２０ＫＨｚで設計したと仮定する。内部ジンバルのコイルに６０Ｈｚのこぎり波電流と水平共振周波数である２０ｋＨｚ電流を変調して流すと、外部で生成された磁場に垂直方向でモーメントが発生するようになる。このようなモーメントは、垂直ねじり軸と水平ねじり軸に分配されてミラー２２を駆動するのに用いられる。ミラー２２は、合成されたモーメントによって水平ねじり軸２３を中心として約２０ＫＨｚで共振するようになるため６０Ｈｚ成分ののこぎり波には反応せず、垂直ねじり軸２５を中心として６０Ｈｚののこぎり波状で駆動するようになる。
【００１０】
しかし、垂直ねじり軸に作用するモーメントには６０Ｈｚののこぎり波成分だけでなく２０ｋＨｚの正弦波成分が存在するため、垂直スキャンの際に２０ｋＨｚの微細なぶれが存在するという問題点がある。このような様子を図２に示した。すなわち、垂直ねじり軸および水平ねじり軸はそれぞれ低周波信号（６０Ｈｚ）および高周波信号（２０ＫＨｚ）によって独立的に振動しなければならないが、垂直ねじり軸の低周波信号上に高周波信号が振動に影響を与えて微細なぶれが生じるようになる。図２を詳細に観察すると、時間による垂直ねじり軸の駆動角度３０は略０．０３度の高周波によってぶれが生じることを知ることができる。
【００１１】
このようなぶれは、走査線を所望する位置に走査することができず、これにより解像度を害する主な原因となる。すなわち、垂直スキャンの際に高周波によるぶれ現象によって水平走査線が重なってしまい、高解像度を具現することができなくなるという問題点がある。
【００１２】
より具体的に説明すると、垂直スキャンの際の高周波ぶれによって走査線が垂直方向に正確な位置でスクリーンに走査されず、重複したり過度に離隔するなど不規則な水平走査線間の間隔を示すようになり、解像度に致命的な悪影響を及ぼすようになる。
【００１３】
このような高周波ぶれによる問題を解決するために、ローパスフィルタ（Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）を回路的に構成する方法を考慮することができるが、これには別途の電子部品が要され、生産性を害して生産単価が上昇するようになるため好ましい解決方案であるとは言えない。
【００１４】
一方、高解像度を有する画質を具現するためには、ミラーのサイズを大きくし、かつ駆動角度も大きくしなければならない。例えば、ＨＤ級の画質を具現するためには、ミラーの直径が従来の１．０ｍｍから１．５ｍｍ程度に大きくならなければならず、駆動角度が従来の８°から１２°程度に大きくならなければならない。
【００１５】
しかし、高速で運動するほど、またはミラーの直径が大きくなるほど動的変形量が大きくなるという問題点がある。光信号が所望する位置に走査されるためには、最大の動的変形量がレーザー波長の略１／６、厳格には１／１０以下となることが好ましいが、従来の構造ではこのような要求条件を満たすことはできない。ＲＧＢ（Ｒｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅ）カラーを光源として用いる場合には、最大の動的変形量はＧカラー（Ｇｒｅｅｎ  ｃｏｌｏｒ）の波長である４５０ｎｍ程度の１／１０水準である４５ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
動的変形量を減らすためには、厚さを厚くしてミラーの剛性を向上させることが好ましいが、回転慣性モーメント（ｍｏｍｅｎｔ  ｏｆ  ｉｎｅｒｔｉａ）が同時に増加するようになり、ミラーの駆動角度が小さくなるという問題点が生じるため好ましい解決方案であるとは言えない。
【００１７】
すなわち、駆動角度、ミラーのサイズ、および動的変形量のすべては相互に関連（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）しており相互間に影響を及ぼすため、最適な設計に対する研究が急務であると言える。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
したがって、本発明は、上述した本発明の問題点を解決するために案出されたものであって、本発明は、高周波によるぶれ現象を除去し、鮮明な画質の具現が可能なスキャナを提供することを目的とする。
【００１９】
また、本発明は、自体的な機械的構造によってローパスフィルタを提供し、電子的な制御が必要ないため別途の部品を要さないと同時に、比較的簡単な機械的設計の変更だけで生産性が高く追加的な費用の消耗がほぼないスキャナを提供することを他の目的とする。
【００２０】
また、本発明は、高周波の干渉を効果的に排除して精密な位置制御を可能とし、スキャナに応用する際に走査線間の垂直離隔距離が一定するように維持することができ、走査線の相互間の重複現象による解像度の低下を防止することができるスキャナを提供することを他の目的とする。
【００２１】
また、本発明は、ミラー、内部および外部ジンバル、ねじりプリングなどの背面にリブが提供され、ミラーのサイズが大きく、かつ大きい駆動角度を有しながらも動的変形量を減らすことができるなど、設計の自由度を向上させて高解像度の画質を具現するのに適合したスキャナを提供することを他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
前記のような本発明の目的を達成するために、本発明に係るスキャナは、光源を外部に走査するミラーに機械的構造のメカニックフィルタが備えられる。すなわち、光源を外部に走査するミラーには互いに直交する二つのねじり軸が内部および外部ジンバルによって連結されており、内部ジンバルおよび外部ジンバルの間には連結軸が形成される。前記外部ジンバルはフレームと第２ねじり軸によって連結されており、フレームの外側には磁場を形成する永久磁石が第２ねじり軸と任意の角度を有して配置されている。
【００２３】
ミラーの第１ねじり軸に対する回転運動は共振運動であって、水平走査に用いられ、解像度によって差はあるが略１５ｋＨｚ以上の高周波特性を有する。ミラーの第２ねじり軸に対する回転運動は非共振運動であって、のこぎり波状の６０Ｈｚ周波数特性を有する。ミラーを前記二つの軸で駆動するために前記外部ジンバルには駆動コイルが形成されており、駆動コイルには高周波電流とのこぎり波状の低周波電流が変調されて印加される。フレーム外側に位置した永久磁石による磁力によって、外部ジンバルには電流によるモーメントが発生するようになるが、モーメントは第１ねじり軸と第２ねじり軸方向に分配されて外部ジンバルを加振するようになる。
【００２４】
このとき発生したモーメントは、高周波成分と低周波成分を同時に含む。外部ジンバルの第１ねじり軸方向の振動成分の中で高周波成分はミラーの回転固有周波数と一致するため、ミラーは共振されて第１ねじり軸を中心として共振運動をするようになる。また、外部ジンバルは、第２ねじり軸方向にも回転するようになるが、このときの回転周波数はのこぎり波状の低周波成分が大部分であるものの、高周波成分の回転成分も含むようになる。このような外部ジンバルの第２ねじり軸を中心とした低周波回転運動は、前記連結軸を介して前記ミラーに伝達される。
【００２５】
したがって、ミラーは第２ねじり軸を中心として低周波回転運動をするようになる。一方、外部ジンバルの第２ねじり軸を中心とした高周波回転運動は、前記連結軸を介しながらミラーに伝達されないようにすることが好ましいが、このためには、前記内部ジンバルとミラーが連結軸を中心として回転する固有振動数を高周波振動成分の１／√２（√２は、２の平方根を表すものとする。）以下で設計するのが好ましい。
【００２６】
前記ミラーの背面には突出形成されたリブが備えられることがあるが、リブは前記第１ねじり軸と垂直関係を成す複数の垂直リブ、および前記第１ねじり軸と一定の離隔距離を有しながら、前記垂直リブと垂直な関係を成す水平リブから構成される。このとき、水平リブの位置はミラーのサイズによって異なるが、大体ミラー半径の７０〜９０％の間に存在するのがミラー動的変形量を低めるのに有利である。
【００２７】
前記内部ジンバルまたは外部ジンバルの背面には円周方向に突出形成された円周リブを備えたり、放射方向に突出形成された複数の放射リブを備えたりする。また、連結軸や第１、２ねじり軸の背面には、リブが別途でまたはそれぞれ備えられたりする。
【００２８】
したがって、本スキャナは、ローパスフィルタ（Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）の特性を備えた機械的な構造を提供し、ミラー、内部および外部ジンバル、連結軸、ねじり軸の背面にリブがそれぞれまたは別途で提供され、ミラーのサイズが大きく、かつ大きい駆動角度を有しながらも動的変形量を減らすことができるなど設計の自由度を向上させ、高解像度の画質を具現するのに適合する。
【発明の効果】
【００２９】
したがって、本発明によると、外部入力の中から特定の高周波成分を除去するローパスフィルタ（Ｌｏｗ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）の特性を備えた機械的な構造を提供するという効果がある。
【００３０】
また、電子的な制御が必要ないため別途の部品を要さないと同時に、比較的簡単な機械的設計の変更だけでローパスフィルタを提供し、生産性が高く追加的な費用消耗がほぼない外部入力によって駆動されるという効果がある。
【００３１】
また、高周波の干渉を効果的に排除して高周波によるぶれ現象を除去することができるため精密な位置制御が可能であり、スキャナに応用する際に走査線間の垂直離隔距離を一定に維持することができ、走査線の重複現象による解像度の低下を防止することができる。
【００３２】
また、ミラー、内部または外部ジンバルの背面にリブがそれぞれまたは別途で提供され、ミラーのサイズが大きく、かつ大きい駆動角度を有しながらも動的変形量を減らすことができるなど設計の自由度を向上させ、高解像度の画質を具現するのに適合した効果を有する。
【００３３】
また、第１または第２ねじり軸、連結軸の背面にリブがそれぞれまたは別途で提供され、剛性調節など動力学的な特性を向上させて設計の利便性を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明するが、本発明が実施形態によって制限されたり限定されるものではない。
【００３５】
図３は、本発明に係るスキャナを示した斜視図である。これに示されたように、スキャナ１００は、中央に光源を反射するミラー１１０が備えられており、その周辺に内部ジンバル１３１がミラー１１０を囲んで形成されている。内部ジンバル１３１の形状は略楕円形であり、完全な円形ではないリング状を有している。ミラー１１０と内部ジンバル１３１はその側面に形成された二つの第１ねじり軸１２１で連結されているが、第１ねじり軸１２１がねじれることによって内部ジンバル１３１とミラー１１０は相対的な運動が可能となる。
【００３６】
内部ジンバル１３１の周辺には外部ジンバル１３２が形成されている。外部ジンバル１３２は略円盤形であるが、中央には内部ジンバル１３１を収容することができる中孔が形成されている。内部ジンバル１３１と外部ジンバル１３２はその側面の二つの連結軸１２２で連結されている。連結軸１２２がねじれ運動をすることによって内部ジンバル１３１と外部ジンバル１３２は相対的な運動をする。
【００３７】
外部ジンバル１３２の全面には駆動コイル１３３が円周方向に沿って巻かれている。コイル１３３は、後述する永久磁石１５０が形成する磁場と相互作用を成してミラーの運動を発生させる役割を果す。
【００３８】
第１ねじり軸１２１と連結軸１２２は互いに垂直な関係を有して配置される。すなわち、二つの第１ねじり軸１２１は軸線上に並んで配置されており、これは二つの連結軸１２２も同様である。第１ねじり軸１２１の軸線方向と連結軸１２２の軸線方向は互いに垂直である。
【００３９】
外部ジンバル１３２の外部にはフレーム１４０が位置する。フレーム１４０は外部ジンバル１３２が挿入される収容空間１４１を備えており、外部ジンバル１３２と二つの第２ねじり軸１２３で連結される。
【００４０】
第２ねじり軸１２３は、連結軸１２２と同一の方向に形成される。第２ねじり軸１２３は連結軸１２２と同一の軸線上に位置したり、同一の軸線上ではないが平行に配置されたりもする。言い換えれば、第２ねじり軸１２３は第１ねじり軸１２１と垂直な関係を成すと言える。
【００４１】
フレーム１４０の外側には永久磁石１５０が配置される。二つの永久磁石１５０はフレームの対向側にそれぞれ配置されて磁力を形成するようになる。このような磁力は、外部ジンバル１３２に巻かれているコイル１３３との相互作用によってミラー１１０および各ジンバル１３１、１３２の相対的な運動を誘発させる。
【００４２】
詳細に後述するが、永久磁石１５０およびコイル１３３による磁力の作用方向と第２ねじり軸１２３の軸方向は一定角度を成す。磁力は垂直および水平にミラー１２２を振動させるための合成された一つのモーメントとしてミラー１１０に提供することができる。すなわち、このような合成モーメントは略低周波の波形形状を有しており、このような低周波信号上に高周波信号が変調（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）されている。このような合成モーメントは、連結軸１２２を介して高周波成分がフィルタリングで除去された後にミラー１１０に伝達されるようになるため、ミラーの第２ねじり軸に対する高周波ぶれを除去することができるようになる。
【００４３】
本発明の挙動を動力学的に解釈して説明するために図４を提示する。図４は、本発明の第２ねじり軸に対する運動をモデリングした構成図である。
【００４４】
これに示されたように、本発明のスキャナ１００は、図４のように２次システムでモデリングされる。ここで、内部ジンバルおよびミラーの回転慣性モーメントをｍ１、連結軸の回転剛性をｋ１、減衰をｃ１とし、外部ジンバルの回転慣性モーメントをｍ２、第２ねじり軸の回転剛性をｋ２、減衰をｃ２とする。このとき、本スキャナ１００は式（１）のようにモデリングされる。
【００４５】
【数１】
2008026849.tif 000003
【００４６】
ミラーおよび内部ジンバルの動きを考察するために、その固有振動数をＷｎとする。このとき、Ｗｎは、ミラーと内部ジンバルが連結軸を中心として振動する際の固有周波数である。本スキャナ１００のような２次システムにおいて、力Ｆによるｍ２の振動は、のこぎり波状の低周波成分と正弦波形態の高周波成分が発生するようになる。このとき、ｍ１の振動量ｘ１はｍ２の振動量と周波数によって決定されるようになる。一般的に、振幅がＡｉｎ、周波数ｗｄである振動が支持台（ｂａｓｅ）に印加されるとき、支持台に連結されたスプリング−質量−ダンパシステムの応答特性は図５のように周知されており、周波数比（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｒａｔｉｏ）および伝達度（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｂｉｌｉｔｙ）は式（２）および式（３）のように定義する。
【００４７】
周波数比＝ｗｄ／ｗｎ        ・・・式（２）
伝達度＝Ａｏｕｔ／Ａｉｎ      ・・・式（３）
このとき、Ａｏｕｔは、支持台の振動による質量の振動振幅を示す。周波数比と伝達度との関係を図５に示した。図５において、ｘ軸は周波数比であり、ｙ軸は伝達度をログスケール（ｌｏｇ  ｓｃａｌｅ）で示した図である。
【００４８】
これに示されたように、固有周波数と同一の外部入力を付与した場合（すなわち、ｘ軸が１である点）に最大の振幅を示し、固有周波数よりはるかに低い周波数を有する振動が入力されると、伝達率は１に近付くようになる。一方、周波数比が√２より大きい場合は緩衝領域６に進入するようになる。このとき、緩衝領域６とは伝達度が１未満の領域であって、支持台の振幅Ａｉｎより伝達されるＡｏｕｔ量が少なくなる領域を意味する。曲線３は、低い減衰値を有する場合の特性曲線であり、曲線４は、ゴムやシリコーンのように高減衰値を有する場合の特性曲線である。すなわち、減衰値に係わらず周波数比が√２より大きければ緩衝領域６に進入するようになり、高周波成分がフィルタリングで除去される領域であると言える。言い換えれば、外部から伝達される高周波振動に鈍感になるためには、システムの固有周波数を外部から伝達される高周波振動数に比べて１／√２以下となるように設計することが好ましい。
【００４９】
以下、本発明の作動および効果を説明する。図６は、本発明に係わるスキャナに合成モーメントが作用する様子を示した斜視図であり、図７は、時間に対して合成モーメントを示したグラフであり、図８は、本スキャナをシミュレーションするためにモデリングした構成図であり、図９および図１０は、各時間に対するｘ２、ｘ１の変位を示したグラフである。
【００５０】
これに示されたように、本外部ジンバル１３２に合成されたモーメントＢを加える。前述したように、前記合成モーメントＢは比較的低周波である垂直駆動信号と水平駆動信号を合成して変調したものであって、第１ねじり軸１２１と第２ねじり軸１２３との間に任意の角度を置いて与えられる。垂直駆動信号が略６０Ｈｚであり、高周波信号が略２０ＫＨｚであると仮定して、その合成モーメントを図７に示した。また、式（１）のようにモデリングされる本システムのシミュレーションのためのＭａｔＬａｂ  Ｓｉｍｕｌｉｎｋ（動特性解析ソフト商品名）用の解析モデルは図８の通りである。
【００５１】
外部ジンバルが第２ねじり軸１２３を中心として振動するようになる共振周波数を約１ｋＨｚで設計し、第１ねじり軸１２１を中心としてミラー１１０が振動する共振周波数を約２０ＫＨｚで設計したと仮定する。外部ジンバルに加えられた合成モーメントＢは直交する二つの成分に分解され、外部ジンバルを第１ねじり軸と第２ねじり軸方向に加振することになる。外部ジンバルの第１ねじり軸を中心とした振動は６０Ｈｚと２０ｋＨｚ成分のいずれも含んでいるが、該振動はミラーの共振周波数２０ｋＨｚと一致するため伝達率が非常に大きくなる。このため、ミラー１１０は共振をするようになり、第１ねじり軸を中心として非常に大きい変位を示すようになって正弦波状の振動を成すようになる。
【００５２】
一方、第２ねじり軸に分解された合成モーメントは、外部ジンバルを第２ねじり軸を中心として振動させるようになるが、該モーメントも６０Ｈｚと２０ｋＨｚ成分のいずれも含んでいるため、共振周波数が１ｋＨｚで設計されている外部ジンバルは、２０ｋＨｚ成分が微弱に存在しながらも６０Ｈｚのこぎり波状の振動成分が主に現れるようになる。
【００５３】
このとき、外部ジンバル２２０の変位（ｘ２）は、図９に示されたようにのこぎり波状を示すが、高周波モーメントによる微細な高周波振動が発生される。しかし、内部ジンバルとミラーが連結軸を中心として振動する共振周波数を２０ｋＨｚより小さい８ｋＨｚで設計する場合には、図１０に示されたように、内部ジンバルとミラーの動きは高周波成分の大部分がフィルタリングで除去され、そのぶれが約１／１０にまで大きく減少したことをシミュレーションで確認することができる。これは、図５で確認することができるように、２０ｋＨｚの外部ジンバルの振動成分は、８ｋＨｚの共振周波数を有する内部ジンバルとミラーに伝達され難いためである。すなわち、内部ジンバル１２４と連結軸の機械的構造がローパスフィルタ（ｌｏｗ  ｐａｓｓ  ｆｉｌｔｅｒ）の役割を遂行することで、ミラーが第２ねじり軸を中心として高周波振動することを遮断させることができるのである。これにより、水平走査線間の垂直離隔距離が一定し、重複現象をなくして解像度を向上させることができる。
【００５４】
図１１は、本発明の実施形態の変形例を示したものであって、スキャナの背面を示した斜視図である。これに示されたように、ミラー１１０の背面には、垂直リブ２１０および水平リブ２２０が形成されている。
【００５５】
複数の垂直リブ２１０は一定幅を有しながら、相互間において一定の間隔程度に離隔して配置される。前記水平リブ２２０は中心軸２２１の中心から一定の離隔距離を有しており、前記垂直リブ２１０と直交するように配置される。ここで、中心軸２２１とは、ミラー１１０の中心を通り、第１ねじり軸１２１の中央を貫通する仮想の軸である。
【００５６】
垂直リブおよび水平リブは、シリコーンの背面をエッチングして形成するのが好ましい。また、複数枚のシリコーンを積層し、最下部のシリコーンをエッチングして垂直および水平リブを形成したりする。このような垂直および水平リブは、ミラーの回転慣性モーメントを減少させるのに役に立つ。
【００５７】
しかし、垂直リブだけでは動的変形量を満たすのは困難である。これは、垂直リブはその上面がミラーに連結されており、エッチングによってミラーの厚さは約２０〜４０μｍに減少するため、垂直リブを連結する強性が小さいためである。したがって、垂直リブを直交方向に連結する水平リブが必要となるのであるが、この場合、水平リブを複数形成して連結することはミラーの回転慣性モーメントを再び増加させる原因となるため、所望する駆動角度を具現することができなくなる。したがって、本発明においては、水平リブを一つだけ構成し、水平リブの位置を最適化して動的変形量を最小化することが好ましい。水平リブは、前記中心軸からミラー半径の７０〜９０％程度に離隔して設置されるのが好ましい。
【００５８】
図１２は、本発明の実施形態の他の変形例を示したものであって、スキャナの背面を示した斜視図である。
【００５９】
これに示されたように、内部ジンバル１３１の背面を一部エッチングして第１円周リブ２３０を形成する。前記第１円周リブ２３０は内部ジンバル１３１の円周方向に沿って形成されており、その位置および個数は内部ジンバル１３１の背面の内側または外側に一つ形成されたり、内側と外側にそれぞれ一つずつ形成されたりする。本発明を変形して、第１円周リブ２３０を任意の位置および個数を有するようにすることが可能であることは言うまでもない。
【００６０】
第２円周リブ２４０は、外部ジンバル１３２の背面を一部エッチングして形成されており、外部ジンバル１３２の円周方向に沿って形成される。第１円周リブ２３０と同様、その位置および個数の変形が可能であることは明白である。
【００６１】
第１および第２円周リブ２３０、２４０は複数枚のシリコーンを積層し、最下部のシリコーンをエッチングする。このような円周リブ２３０、２４０が内部ジンバルおよび外部ジンバルの回転慣性モーメントを減少させるなどの運動学的な変化を可能とし、設計の自由度を向上させることができる。
【００６２】
図１３は、本発明の実施形態の他の変形例を示したものであって、スキャナの背面を示した斜視図である。
【００６３】
これに示されたように、図１２で説明した第１円周リブ２３０以外に、内部ジンバル１３１の背面に放射方向に形成された放射リブ２５０が形成されることがある。複数の第１円周リブ２３０を連結するように前記放射リブ２５０が複数形成されたり、または、一つの第１円周リブ２３０が形成され、これを経由するように複数の放射リブ２５０が形成されたりする。
【００６４】
このような放射リブ２５０は、外部ジンバル１３２にも形成が可能であることは言うまでもない。放射リブ２５０は複数枚のシリコーンを積層しており、最下部のシリコーンをエッチングし、内部ジンバルおよび外部ジンバルの回転慣性モーメントを減少させるなどの運動学的な変化を可能とし、設計の自由度を向上させることができる。
【００６５】
本発明の実施形態のさらに他の変形例においては、第１、２ねじり軸または連結軸の背面にリブがそれぞれまたは別途に形成されることがある。リブの形状は軸の長さ方向に沿って形成されたり、軸の幅方向に沿って形成されたりする。
【００６６】
前記リブは、本スキャナの動力学的な特性を向上させることができる。すなわち、第１、２ねじり軸または連結軸の背面のうち、リブが形成される場所を除いて適切にエッチングすれば軸の剛性を調節することができ、設計の要求を充足させ易くなる。
【００６７】
上述したように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、該当の技術分野において熟練した当業者にとっては、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させることができることを理解することができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】従来の一つのミラーを２軸で動かして光の経路を変更するスキャナを示した斜視図である。
【図２】従来のスキャナに係る時間による垂直ねじり軸の動きを示したグラフである。
【図３】本発明に係るスキャナを示した斜視図である。
【図４】本発明をモデリングした構成図である。
【図５】周波数比による伝達度を示したグラフである。
【図６】本発明に係るスキャナに合成された駆動力が作用する様子を示した斜視図である。
【図７】時間に対して合成モーメントを示したグラフである。
【図８】本スキャナをシミュレーションするためにモデリングした構成図である。
【図９】各時間に対するｘ２の変位を示したグラフである。
【図１０】各時間に対するｘ１の変位を示したグラフである。
【図１１】本発明の実施形態の変形例を示したものであって、スキャナの背面を示した斜視図である。
【図１２】本発明の実施形態の他の変形例を示したものであって、スキャナの背面を示した斜視図である。
【図１３】本発明の実施形態の他の変形例を示したものであって、スキャナの背面を示した斜視図である。
【符号の説明】
【００６９】
１００：スキャナ
１１０：ミラー
１２１：第１ねじり軸
１２２：連結軸
１２３：第２ねじり軸
１３１：内部ジンバル
１３２：外部ジンバル
１４０：フレーム
１５０：永久磁石
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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