(57)【要約】【課題】従来の光ビームの往復走査にサイン波形をもちいた場合と比べてより広い走査範囲にわたって一定の照度を得ることを可能とするとともに、従来の走査周波数と比べて高い周波数での回転子の駆動を可能する。【解決手段】回転子を支持する回転軸を有さず、回転子を駆動する装置であって、回転子の仮想回転中心の両側に設けられた可動範囲を制限する手段と、回転子の仮想回転中心の両側が交互に制限手段に突き当たるように駆動する手段を有する。【選択図】        図１
2004325507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子を支持する回転軸を有さず、回転子を駆動する装置であって、回転子の仮想回転中心の両側に設けられた可動範囲を制限する手段と、回転子の仮想回転中心の両側が交互に前記制限手段に突き当たるように駆動する手段を有することを特徴とする回転子駆動装置。
【請求項２】
内部に、ミラー面を有する回転子を収納した筐体を有し、回転子が移動可能に回転子と筐体との間にあそびが設けられており、回転子の仮想回転中心の両側が交互に筐体に突き当たるように回転子に駆動力を与える手段を備えたミラー面を有する回転子駆動装置。
【請求項３】
電圧を印加された制限板に、回転子の仮想回転中心の両側が交互に突き当たり、その衝突の際に一方の制限板から電荷を受け取り、排斤力による回転子の移動によって、他の制限板への電荷の受け渡しを生じ、それによって回転子に駆動力を与えることを特徴とする回転子駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ビームを往復走査する光ビーム走査装置の構造、駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５ａは従来の光ビーム走査装置の構造を示す従来例である。薄板にエッチング等の除去手段を用いて、薄板の枠体５０１ａと枠体の内側に枠体と分離して薄板の回転子５０１ｂと、枠体と回転子をつなぐ２つの回転軸５０１ｃを一体で形成し、かつ２つの回転軸は回転子の回転中心を結んだ線上に配置し、回転軸のねじり剛性と回転子の慣性モーメントのよって決まる機械的な共振周波数と等しい周波数で外力により強制力を加えて回転子を揺動させ、該回転子に形成されたミラー面に入射した光ビームを偏向して光ビームの往復走査を行うことを特徴とした光ビーム走査装置の構造に関するものである。
【０００３】
該回転子には電磁気的な外力を受けるための磁界を発生させるコイル５０２を回転子の外縁に形成してあり、コイルは回転軸を通って外部の交番電源５０３につながれている。枠体の上あるいは外部の固定側には回転軸と直交しコイル面と平行になるようにマグネット５０４で一様磁界を形成しておき、磁界内部に置かれた回転子上に配した該コイルに回転子の機械的共振周波数と等しい周波数で外部電源から電流を流して交番磁界を発生させて、回転子に磁気力による共振運動を惹起して、該回転子の中央に形成したミラー面に外部から入射した光ビームを偏向して光ビームの往復走査していた。
【０００４】
あるいは、図５ｂに示すように枠体と回転軸と回転子は一体で構成されていて、回転子５０１ｂのミラー面の反対面に、回転軸を中心として対称にＳ極とＮ極が配されるように微小なマグネット５１０を形成し、このマグネットに直交して回転子の共振周波数に等しい交番磁界５１１を加え、回転子に共振運動を惹起して、該回転子に形成したミラー面５０１ｄに外部から入射した光ビーム５０６を偏向して光ビームの往復走査していた。
【０００５】
あるいは、図５ｃのように、回転子のミラー面の反対面に接地した電極面を形成し、該電極面と近接対向した固定側に２つの電極面を、回転軸を挟む形で配置して、固定側の２つの電極に交番で電荷を掛けて、回転子の電極との間に発生する交番電荷による排斤力を利用して、回転子の共振運動を惹起して、該回転子に形成したミラー面に外部から入射した光ビームを偏向して光ビームの往復走査していた。
【０００６】
あるいは、図５ｄのように、回転子５０１ｂを保持する枠体５０１ａに回転軸５０１ｃにねじれ運動が発生する方向に、回転子の共振周波数に等しい周波数で枠体に貼り付けた圧電素子５２０ａおよび５２０ｂに交互に電圧を加え、バイメタル効果による枠体の曲げ変形から回転軸を介して伝搬した、ねじり変形により回転子に共振運動を惹起して、該回転子に形成したミラー面５０１ｄに外部から入射した光ビームを偏向して光ビームの往復走査していた。
【０００７】
あるいは、図６のように、音波を発生する素子５３０を回転子に近接して配し、回転子５０１ｂの共振周波数に等しい音圧を回転子の回転軸５０１ｃに対称の位置に位相が反転するように加え、回転子の共振運動を惹起して、該回転子に形成したミラー面に外部から入射した光ビームを偏向して光ビームの往復走査していた。
【０００８】
このように、回転子の駆動には、静電力、電磁力、圧電力、音響的方式、光熱的力、流体エネルギ等、様々な機械的物理的な駆動方式があるが、回転子と回転軸と枠体を一体で構成し、軸のねじり剛性と回転子の慣性モーメントで決まる共振運動を利用した駆動原理は同じであった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記回転子が回転軸のねじり剛性と回転子の慣性モーメントできまる共振周波数での揺動運動するため、該回転子に設けたミラー面に入反射して射出した光ビームの往復走査が排天子の振動に対応してサイン波形で、光ビームの走査速度が中央では速く、周辺部で遅くなる為に、均一照度となるよう光を走査しようとした場合は、射出した光ビームを一度レンズに透過して光学的に周辺部の照度を下げるように補正していた。あるいは、光ビームの走査位置に対応して、回転子に入射した光ビーム自体の光強度を走査の周辺部では下げるように電気的に補正して、均一の照度と成るようにしていた。あるいは上記補正方法の両者を用いていた。
【００１０】
しかしながら、光学的に補正しても、あるいは電気的に補正しても、光ビームの強度を補正できる範囲は限られ、例えば走査の最周辺部では大幅に光ビームの走査速度が遅くなるために、上記の補正を行って均一な照度を得るために利用できるのは、走査範囲の９０％が限界であった。
【００１１】
一方、回転軸の剛性を下げるため軸を十分に細く、あるいは長くして構成し、回転子に電磁気力的な強制力を加え、光ビームの走査波形をのこぎり波形等に近づける方法も用いられている。この場合は、回転軸は回転子を支え回転中心を確定する目的で存在し、回転子は回転軸のねじり剛性と回転子の慣性に逆らって、電磁気力な強制力によって駆動されていることになる。この場合は共振を用いておらず、入力エネルギが大きくなることとなる。また回転子の慣性に逆らって駆動することになるため、高周波数での走査は困難となっていた。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は回転子から回転子を支える回転軸を省いて、回転子を外部から加えた電磁気的な強制力によって回転子を駆動する方式で、回転子の揺動運動の戻りに回転子の回転範囲制限手段への衝突による反発を用い、かつ電磁気的な強制力を回転子の動きの向きに同期させて加えることで、回転範囲制限手段との反発係数と回転子の慣性モーメントと回転子の遊びからなる共振運動を利用して、強制力として投入するエネルギを抑えかつ回転軸をもつ系に生じる回転軸のねじり剛性と回転子の慣性モーメントからなる共振周波数に比べ、十分に大きな共振運動を可能とすることを目的としている。
【００１３】
回転子が回転範囲制限手段に衝突するまでの遊びの範囲が、光ビーム往復走査の一定の速度範囲となる。ここで示す衝突現象は、はっきりとは解明されていないが、ミクロ的にみれば、回転子と回転範囲制限手段のバネ定数の大きな非線形ばねの衝突と考えることもできる。
【００１４】
また、回転範囲制限手段との衝突時間が極めて小さいことから、回転子は略三角波形で駆動できる。そのため、光ビーム走査装置として用いれば、光ビーム走査範囲の略全域が線形範囲となり利用できることになる。また、衝突速度と反発速度が殆ど等しくなる材質間の衝突となるように材質を選べば極めて高速の光ビーム走査が可能となる。
【００１５】
一般に、衝突の加速度は数百Ｇとなるが、回転子および回転範囲制限手段の物理的サイズが、材料の強度を決めている結晶粒界サイズより十分小さいため材料本来の強度が得られ、衝突による破損は回避できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
実施例１
図１は本発明に関する回転子の構造を示す実施例である。
【００１７】
１０１は回転子で１０１ａは仮想回転中心である。仮想回転中心は回転子の重心を通る線上にあり、ここを中心として回転する。１０２および１０３は回転子の回転範囲を制限する制限板であり筐体の一部をなし、内部に回転子が可動的に配置されている。
【００１８】
両方の制限板までの間は回転子の動きの遊びとなっており、回転子は仮想回転中心の回りを一定角速度で回転する。その後、回転子は制限板に衝突反転し、逆方向に一定角速度で回転を始める。このさい、回転子と制限板の反発係数が１に近い値となるような材質、例えばシリコン材等を用いる事で、付加する外力のエネルギは僅かな状態で揺動運動を続けることができる。１０４は回転子につけた電極で、制限板１０２、および１０３につけた電極１０５に加えられた交番電荷の排斤力によって揺動運動を可能としている。中央の突起１０６には電極が設けられており、かつ電極は接地しており、回転子の電極内の初期電荷を＋または−にするための物である。
【００１９】
１０１ｂは回転子に構成されたミラー面である。１０７はミラー面に入射した光ビームで回転子の揺動運動によって、光ビームの往復走査を行っている。
【００２０】
実施例２
図２は本発明に関する第２の回転子の構造を示す実施例である。
【００２１】
２０１は回転子で２０１ａは仮想回転中心である。仮想回転中心は回転子の衝突位置に対応した位置にあり、ここを中心として回転する。２０２および、２０３は回転子の回転範囲を制限する制限板である。制限板は回転子の衝突を確定しやすい用に２箇所に設けられている。
【００２２】
両方の制限板までの間は回転子の動きの遊びとなっており、回転子は仮想回転中心の回りを一定角速度で回転する。その後、回転子は制限板に衝突反転し、逆方向に一定角速度で回転を始める。このさい、回転子と制限板の反発係数が１に近い値となるような材質、例えばシリコン材等を用いる事で、付加する外力のエネルギは僅かな状態で揺動運動を続けることができる。２０４は回転子につけた磁石で、コイル２０５内の交番磁界中置かれ、磁力線の向きに応じて揺動運動を可能としている。２０１ｂは回転子に構成されたミラー面である。ミラー面に入射した光ビームは回転子の揺動運動によって、往復走査を行っている。
【００２３】
実施例３
図３は本発明に関する第３の回転子の構造を示す実施例である。
【００２４】
３０１は回転子で、回転子を収納した筐体３０２を有し、回転子が移動可能に回転子とーと筐体との間にあそびが設けられており、回転子の仮想回転中心３０１ａの両側が交互に筐体に突き当たるように回転子に駆動力を与える手段を有している。３０３は回転子に駆動力を与えるためのピエゾ素子であり、筐体を加振している。筐体に外部から加えられた加振力は筐体を通過して、回転子を叩き、回転子は筐体内部ではね返えりながら揺動運動をする。両方の制限板までの間は回転子の動きの遊びとなっており、回転子は仮想回転中心の回りを一定角速度で回転する。回転子と制限板の反発係数が１に近い値となるような材質、例えばシリコン材等を用いる事で、衝突時の時間を少なくして三角波形の駆動を実現し、かつ付加する外力のエネルギは僅かな状態で揺動運動を続けることができる。３０１ｂは回転子に構成されたミラー面である。３０６はミラー面に入射した光ビームで回転子の揺動運動によって、光ビームの走査を行っている。
【００２５】
実施例４
図４は本発明に関する第４の回転子の駆動方法を示す実施例である。
【００２６】
４０１は回転子で、回転子を収納した筐体４０２を有し、回転子が移動可能に回転子とーと筐体との間にあそびが設けられており、回転子の仮想回転中心４０１ａの両側が交互に筐体に突き当たるように回転子に駆動力を与える手段を有している。４０３はａ、４０３ｂは制限板になっている。２つの制限板は対の電極をなしており、プラスとマイナスの電荷が印加されている。一方、回転子の電極と対向する範囲には電極４０４が構成されていて、この電気的に浮遊した電極が、上記制限板の、例えばプラスの電極と接触した場合、そのプラスの電荷を受けて自身が同電荷に帯電し、その結果、反発して離れ、マイナスの電極に引かれて移動する。マイナスの電極に引かれた回転子は、対の電極では極性が異なるマイナスの電荷を受けて、やはり反発して、プラスの電極に戻る。
【００２７】
このようにして、プラスとマイナスの電極間を回転子は衝突しながら自励運動をする。両方の制限板までの間は回転子の動きの遊びとなっており、回転子は仮想回転中心の回りを回転する。この場合は交互の衝突による電荷の移動によって、エネルギは費やされる。印加電圧を増せば、自励周波数も増す。また、行きと戻りの電圧を変えれば、のこぎり歯型の波形での駆動も可能となる。４０１ｂは回転子に構成されたミラー面である。４０５はミラー面に入射した光ビームで回転子の揺動運動によって、光ビームの走査を行っている。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によって、光ビームの往復走査に回転子の共振運動や自励振動を利用して三角波形駆動を実現することができた。その結果、従来の光ビームの往復走査にサイン波形をもちいた場合と比べて、より広い走査範囲にわたって、一定の照度を得ることが可能となった。また、従来の走査周波数と比べて高い周波数での回転子の駆動が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の構成を示す実施例である。
【図２】本発明の第２の構成を示す実施例である。
【図３】本発明の第３の構成を示す実施例である。
【図４】本発明の第４の構成を示す実施例である。
【図５】ａは枠体と回転軸と回転子からなる従来例
ｂは他の駆動方法を示す従来例
ｃは他の駆動方法を示す従来例
ｄは他の駆動方法を示す従来例
【符号の説明】
５０１ａ  枠体
５０１ｂ  回転子
５０１ｃ  回転軸
５０２  電磁コイル
５０３  交番電源
５０４  マグネット
５１０  微小マグネット
５１１  交番磁界
５０１ｄ  ミラー面
５０６  光ビーム
５２０ａ，５２０ｂ  圧電素子
５３０  音波を発生する素子
１０１  回転子
１０１ａ  仮想回転中心
１０２，１０３  制限板
１０４  電極、電極
１０５  突起
１０６，１０１ｂ  ミラー面
１０７  光ビーム
２０１  回転子
２０１ａ  仮想回転中心
２０２，２０３  制限板
２０４  磁石
２０５  コイル
２０１ｂ  ミラー面
３０１  回転子
３０２  筐体
３０１ａ  仮想回転中心
３０３  ピエゾ素子
３０１ｂ  ミラー面
３０６  光ビーム
４０１  回転子
４０２  筐体
４０１ａ  仮想回転中心
４０３ａ，４０３ｂ  制限板
４０４  電極
４０１ｂ  ミラー面
４０５  光ビーム
【図１】
2004325507.tif 000003
【図２】
2004325507.tif 000004
【図３】
2004325507.tif 000005
【図４】
2004325507.tif 000006
【図５】
2004325507.tif 000007