(57)【要約】【課題】振動子駆動用の共振回路に印加するパルス状の電圧などから共振電流を発生させることで、印加電圧のみの場合に比べて振動子駆動用コイルに流れる電流を大きくできる揺動体装置を提供する。【解決手段】揺動体装置は、揺動軸の回りに揺動可能に支持された振動子25と、振動子25を駆動するための駆動手段30、40とを備える。駆動手段は、変調する磁場を発生するためのコイル30を含み、コイル30は、電源70に対してコンデンサ50と並列に接続されて共振回路を構成する。【選択図】図1
2009122137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
揺動軸の回りに揺動可能に支持された振動子と、前記振動子を駆動するための駆動手段と、を備える揺動体装置であって、
前記駆動手段は、変調する磁場を発生するためのコイルを含み、
前記コイルは、電源に対してコンデンサと並列に接続されて共振回路を構成する、
ことを特徴とする揺動体装置。
【請求項２】
前記共振回路は、前記コイルに直列に接続された抵抗を含む、
ことを特徴とする請求項1記載の揺動体装置。
【請求項３】
前記電源は、前記共振回路の共振周波数と同一の周波数を持つ駆動電圧信号を前記コイルに印加する、
ことを特徴とする請求項1または2記載の揺動体装置。
【請求項４】
前記電源は、前記共振回路の共振周波数の1/2以下の周波数を持つ駆動電圧信号を前記コイルに印加する、
ことを特徴とする請求項1または2記載の揺動体装置。
【請求項５】
前記駆動手段は前記コイルと永久磁石を含み、
前記コイルと前記永久磁石の一方が前記振動子に設けられ、他方が前記振動子に対向して設けられる、
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の揺動体装置。
【請求項６】
請求項1乃至5の何れか1項に記載の揺動体装置を含み、
前記振動子に、光ビームを偏向するための光偏向素子が設けられている、
ことを特徴とする光スキャナー。
【請求項７】
請求項6記載の光スキャナーと、光源と、光照射対象物と、を有し、
前記光スキャナーは、前記光源からの光ビームを反射・偏向し、該光ビームの少なくとも一部を前記光照射対象物に入射させる、
ことを特徴とする光学機器。
【請求項８】
請求項1乃至5の何れか1項に記載の揺動体装置を含み、
測定対象に対向して配置される前記振動子に、測定対象の電位に応じた誘導電荷が誘導される検知電極が設けられている、
ことを特徴とする電位センサー。
【請求項９】
揺動軸の回りに揺動可能に支持された振動子と、変調する磁場を発生するためのコイルを含み前記振動子を駆動する駆動手段とを備える揺動体装置の駆動方法であって、
前記コイルと並列にコンデンサを接続して共振回路を構成し、共振回路にパルス状の電圧信号を印加することを特徴とする駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、揺動軸の回りに揺動可能に支持された振動子を含む揺動体装置、その駆動方法、及びそれを用いた光スイッチ、バーコードリーダなどで用いられる光スキャナー、電位測定対象の電位を測定する電位センサーなどの機器に関する。また、光の偏向走査によって画像を投影するレーザビームプリンタ、デジタル複写機等の画像形成装置、投影型ディスプレイなどの画像表示装置などの光スキャナーを用いた光学機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザービーム等を予め決められた周波数でスキャンする機能が、イメージリーダ、ＯＣＲ（光学式文字読取装置）、バーコードリーダ、ＬＢＰ（レーザービームプリンタ）などに組み込まれている。こうした機能を担うものとして、シリコンなどで構成されたミラーを電磁アクチュエータにより所定の周波数で振動させる光スキャナーが提案されている（特許文献1参照）。
【０００３】
こうした光スキャナーでは、例えば、シリコンミラーに永久磁石を搭載し、永久磁石に対向して配置された電磁コイルにミラーの共振周波数に合わせた交流電流を印加することでミラーを共振状態にし、ミラーに入射する光ビームをスキャンしている。図12に上記特許文献1に開示された光スキャナーを示す。図12の断面図に示す光スキャナーは次の構成を有する。単結晶シリコン材料で形成されたプレート1001に穿設された窓1002内に、プレート1001と同一材料で形成された可動部1003が設けられる。プレート1001及び可動部1003と同一材料で一体形成された一対の弾性梁により、可動部1003は、窓1002の互いに対向する窓枠に支持される。可動部1003の駆動手段は、可動部1003に設けられた磁性体1004と、可動部1003にその共振周波数ｆ0に対応した周波数の交流磁場を印加する磁場発生手段1005とで構成される。可動部1003の表面に形成された反射面1006が、光源1008から照射される光1007を反射・偏向する。
【０００４】
この様に構成された光偏向器においては、単結晶シリコン材料で形成されたプレート1001の窓1002内に形成された可動部1003は、一対の弾性梁で窓枠に支持されている。従って、この可動部1003は、弾性梁のねじればね定数Ｋと可動部1003の質量や形状で定まる慣性モーメントＬとを用いて、式（1）で示される共振周波数ｆ0を有する。
ｆ0＝（1／2π）（Ｋ／Ｌ）1／2        式（1）
【０００５】
可動部1003には磁性体1004が設けられているので、可動部1003のねじれ共振周波数ｆ0に対応した周波数の交流磁場を磁性体1004に印加すれば、磁性体1004に磁力が作用し、そして弾性梁の弾性的復元力が働く。こうして、可動部1003は少ないエネルギでねじれ振動することができる。
【０００６】
可動部1003には反射面1006が形成されているので、この反射面に光源1008から光を照射することによって、光を上記共振周波数でスキャンすることが可能となる。
【特許文献１】特開2002−311372号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記技術による駆動方式で光スキャナーのスキャンする振幅を大きくしようとすると、コイルないし磁場発生手段1005に印加する電流を大きくする必要があり、それによる発熱が無視できなくなる。また、発生する磁場の方向とミラーである可動部1003が成す角が90度から大きく外れたところでもコイルに電流を流すことになり、有効にミラーを駆動することが容易ではなくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み、本発明の揺動体装置は次の特徴を有する。即ち、揺動体装置は、揺動軸の回りに揺動可能に支持された振動子と、前記振動子を駆動するための駆動手段と、を備える。そして、前記駆動手段は、変調する磁場を発生するためのコイルを含み、前記コイルは、電源に対してコンデンサと並列に接続されて共振回路を構成する。
【０００９】
また、上記課題に鑑み、本発明の光スキャナーは、上記の揺動体装置を含み、前記振動子に、光ビームを偏向するための光偏向素子が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
また、上記課題に鑑み、本発明の光学機器は、上記の光スキャナーと、光源と、光照射対象物と、を有し、光スキャナーは、光源からの光ビームを反射・偏向し、該光ビームの少なくとも一部を前記光照射対象物に入射させることを特徴とする。
【００１１】
また、上記課題に鑑み、本発明の電位センサーは、上記の揺動体装置を含み、測定対象に対向して配置される前記振動子に、測定対象の電位に応じた誘導電荷が誘導される検知電極が設けられていることを特徴とする。
【００１２】
また、上記課題に鑑み、本発明の揺動体装置の駆動方法は次の特徴を有する。即ち、揺動軸の回りに揺動可能に支持された振動子と、変調する磁場を発生するためのコイルを含み前記振動子を駆動する駆動手段とを備える揺動体装置の駆動方法である。そして、前記コイルと並列にコンデンサを接続して共振回路を構成し、共振回路にパルス状の電圧信号を印加する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、変調する磁場を発生するための振動子駆動用コイルとコンデンサで共振回路を構成している。よって、共振回路に印加するパルス状の電圧などから共振電流を発生させることで、印加電圧のみの場合に比べてコイルに流れる電流を大きくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を説明する。本発明の揺動体装置の一実施形態は、基本的に、揺動軸の回りに揺動可能に支持された振動子と、振動子を駆動するための駆動手段を備える。そして、駆動手段は、変調する磁場を発生するための駆動コイルを含み、電源に対して上記コイルとコンデンサが並列に接続されて構成された共振回路を有する。揺動体の揺動軸は、例えば、ねじりバネなどの弾性支持部で規定される。駆動手段が揺動体を揺動軸の回りに揺動させるとき、揺動体は、例えば、弾性支持部が弾性変形していない中立位置を中心に両方向に往復振動する。
【００１５】
上記駆動手段は、典型的には、上記駆動コイルと永久磁石を含み、コイルと磁石の一方が振動子に設けられ、他方が振動子に対向して固定側に設けられる。磁石が振動子に設けられる場合がムービングマグネット方式であり、コイルが振動子に設けられる場合がムービングコイル方式である。永久磁石を、適当な数及び適当な巻き線方向と配置の定電流印加用のコイルで置き換えることもできる。
【００１６】
上記共振回路は、上記コイルに直列に接続されたダンピング抵抗を含んでもよい。電源は、共振回路の共振周波数と同一の駆動周波数を持つ駆動電圧信号を上記駆動コイルに印加することで、振動子に共振振動させることができる。また、共振振動のために、電源は、共振回路の共振周波数の1/2以下の周波数を持つ駆動電圧信号を上記駆動コイルに印加することもできる。振動子の共振振動が起こるのは、駆動電圧信号の駆動周波数が振動子の共振周波数に対応した大きさを持つ場合であり、共振回路の共振周波数と駆動周波数の関係には依らない。駆動電圧信号の駆動周波数と振動子の共振周波数の関係が所定の関係から外れた場合には、強制的な振動である非共振振動が振動子に起こる。こうした非共振駆動も実行可能であるが、本実施形態では、典型的には、振動子の共振周波数に対応した周波数の断続するパルス状の電圧信号を駆動コイルに印加することにより発生する磁界と磁石の間の電磁力により共振駆動を起こさせる。
【００１７】
上記振動子は種々の形態を取ることができる。一形態例では、1つの振動子が一対のねじりバネなどの支持梁で揺動可能に支持される。他の形態例では、上面図である図10で示す様に、複数の振動子301、301ａが弾性梁304、304ａで揺動可能に支持される。ここでは、振動子301に反射面が形成されていて、ここへの入射光を反射・偏向する。他の一対の振動子301ａは駆動子であり、夫々棒磁石（図示なし）が固定されている。枠状の支持基板302と駆動子との間には一対の弾性梁304が、駆動子と振動子301の間には一対の弾性梁304ａが、夫々、揺動軸300に一致する様に結合されている。こうした構成では、2つのねじれ共振振動数ｆと2ｆの成分を合成した揺動運動を実現できる。ｆと2ｆの成分を適切な位相と振幅の条件で合成することで、反射面付き振動子301に、等角速度部を有する揺動運動を行わせることができる。一対の駆動子301ａを同相で振動させるため、対応する夫々一対の弾性梁304、304ａのねじれ剛性、対応する一対の駆動子301ａの慣性モーメントが揃えられる。こうして、夫々の棒磁石には同相の交番磁力が、コンデンサと共に共振回路を構成する駆動コイル（図示なし）から加えられて振動子301が揺動させられる。この構成では、上記棒磁石と駆動コイルが駆動手段を成す。
【００１８】
上記形態例では振動子は両持ち梁式で支持されているが、図11に示す様に、複数の振動子301、301ａ（或いは1つの振動子）を揺動可能に弾性梁304、304ａにより片持ち梁式で支持することもできる。ここでも、駆動手段は、駆動子301ａに固着された永久磁石と、これと対向して設けられコンデンサと共に共振回路を構成する駆動コイルとを含み、駆動コイルに印加する変調電圧による電磁力で振動子301を揺動させる。片持ち梁式の場合は、支持基板302は、図11の実線で示す様に枠状であってもよいし、破線で囲う部分のみにして枠を設けなくともよい。
【００１９】
上記揺動体装置は、種々の機器に用いることができる。後述する実施例で説明する様に、光ビームを偏向・走査する光偏向素子を振動子に設けて、光スキャナーに用いることができる。
【００２０】
また、電位測定対象に対向して配置される振動子に、電位測定対象の電位に応じた誘導電荷が誘導される検知電極を設けて、電位センサーに用いることもできる。この一例を図9の断面図に示す。図9において、測定対象表面151は、例えば、感光ドラムであり、図の左右方向に伸びる軸、或いは紙面垂直方向に伸びる軸の回りに回転する。振動子104は、これと対向する測定対象表面151が実質的に平面的である場合には、中立位置においてこれとほぼ平行になる様に配置される。また、152は電位センサーを収めるケースであり、導電性の材料で形成され、アースに接地されている。振動子104を支える支持基板100は、適切な装着冶具153、154によって、ケース152に固定されている。この設置されたケース152の存在により、振動子104とほぼ真正面で対向する測定対象表面151の部分からのみ電気力線が検知電極111、112に達することになる。これにより、雑音成分を抑制できて精度良く電位測定ができる様になる。ここでは、永久磁石113と符号114で示す部分にある駆動コイル（コンデンサと共に共振回路を構成する）で構成される駆動手段により、振動子104はねじりバネの中心軸線Cを揺動中心として中立位置を挟んで揺動させられる。この揺動運動で、検知電極111、112と測定対象表面151間の距離が、位相が180度ずれて、夫々周期的に変化する。これに従って、検知電極111、112に、位相が180度ずれて、誘導電荷が夫々周期的に誘導されるので、これらに係る信号を差動増幅処理することで測定対象表面151の電位を測定することができる。
【実施例】
【００２１】
次に、本発明の実施例を図に沿って説明する。
【００２２】
（実施例1）
図1は、本発明の実施例1による光スキャナーを示す概念構成図である。この光スキャナーの構成において、紙面に垂直な方向に伸びる弾性支持梁の回りで揺動可能に、反射ミラー20付きの振動子25が設けられている。振動子25の裏面には、駆動手段を構成する磁石30が固着されている。磁石30に対向してこれの近傍の固定側には、同じく駆動手段を構成する駆動コイル40が配置されている。駆動コイル40の中心には、コイルによる磁界を強める働きをする駆動用コア60が設けられている。
【００２３】
図1は、反射ミラー20と弾性支持梁の伸張方向と平行な方向から見た断面における構造を示す。これから分かる様に、磁石30は、反射ミラー20のある面とは反対側の裏面に設置され、磁石30の極性はミラー20付き振動子25の振動方向に合わせて図示の様に設定されている。ここでは、磁石30の伸張方向は、図1の紙面の手前側と向こう側にある弾性支持梁の伸張方向に対して直角になっている。
【００２４】
上記構成において、駆動コイル40にパルス駆動電源70からパルス電圧を印加することにより、駆動用コア60から発生する変調磁界とミラー20付き振動子25の磁石30との間の電磁力で振動子25が機械的に共振させられる。これによって、ミラー20で反射するレーザービーム10の方向がスキャンされる。
【００２５】
本実施例では、駆動コイル40を含む駆動回路において、駆動コイル40と並列に共振用コンデンサ50が接続されている。これによって発生する電流は、図2に示す様に、1回のパルスに対して、共振電流の場合の方が非共振時の場合の電流よりも大きくなる。ただし、共振電流の場合、振れ戻しの分（振動子の運動を妨げる方向に働くトルクを発生させる電流分）がマイナス側にも生じる。共振電流の周波数はほぼ1／2π√（ＬＣ）となる。ここで、Ｌはコイルのインダクタンス、Ｃはコンデンサの静電容量である。なお、図2などのグラフの横軸は任意単位の時間または位相を表し、縦軸は任意単位の振幅を表す。
【００２６】
共振回路の共振周波数と同一の周波数を持つパルス状の電圧の駆動信号をコイル40に供給する場合、図3に示す様に、正負のパルスを交互に印加することで共振電流の位相が重ね合わされる。そして、合成された電流は光スキャナーの振動動作と同じ正弦波となる。これは従来技術と同じであるが、印加電圧が正弦波からパルスになり、また印加電圧も正弦波よりも低くできるため、従来技術よりも発熱を抑え駆動効率を高めることができる。即ち、共振駆動の場合、パルス駆動を用いてミラーなどの振動子の動作周波数ないし共振周波数と同じ共振電流が得られる。結果として従来の方式と同じ交流電流が発生することになるが、パルス駆動の方が駆動電源の簡略化、供給電力の利用の効率化が図れて有利である。
【００２７】
共振回路の共振周波数の1/2以下の周波数を持つ駆動信号をコイルに供給する場合（逆に言えば、共振回路の共振周波数が駆動信号の周波数の2倍以上である場合）、次の様になる。例えば、スキャナーの動作周波数の2倍に共振回路の共振周波数を設定した図4に示す様に、正負のパルスを交互に印加することで各パルスによる共振電流の位相が互いに180度ずれる。合成された共振電流は図5に示す様になり、（1）のミラーの振れ角がゼロの付近で合成電流が大きく、即ち、大きなトルクをかけることができる。（2）の逆トルクがかかる不必要な合成電流の発生している所ではミラーの振れ角は大きくなっていて、ミラーにかかるトルクは、磁界と磁石の角度の関係で、小さくなる。従って、合成電流の大きな振幅の部分のみがミラーの振幅の増大に寄与することになる。
【００２８】
共振回路の共振周波数をスキャナーの動作周波数よりも高くする場合、その倍率が1と2の間の非整数の場合、例えば1．5倍などでは、合成された共振電流が複雑になり効率良くトルクをかけられなくなる。従って、共振回路の共振周波数は2倍以上がよい。
【００２９】
他方、共振回路の共振周波数を高くすると、トルクのかかる時間が、周波数の逆数に比例するため短くなる。トルクは電流の振幅と時間の積であるので、必要なトルクを得るためには電流振幅を大きくする、即ち、印加するパルス電圧を大きくする必要が生じる。これでは、電源回路に大きな負担がかかる。従って、共振回路の共振周波数を過度に大きくすることは好ましくない。
【００３０】
この様に、共振回路の共振周波数の1/2以下の周波数を持つ駆動信号をコイルに供給する場合、共振電流のパルスの幅を狭くすることができる。従って、ミラーなどの振動子が持つ磁石の着磁方向と磁界の方向が垂直になる前後のわずかな時間に集中して電流をコイルに印加することが可能になる。
【００３１】
（実施例2）
図6は、図1の共振回路にダンピング抵抗80を導入した実施例を示す。この構成において、正負のパルスを交互に印加することで、図7に示す様な共振電流が発生し、図8に示す様な合成電流が流れる。ダンピング抵抗80の効果により、図5では発生していた逆トルクの電流を小さくすることができる。
【００３２】
ただし、ダンピング抵抗は共振電流の振幅を小さくする効果があるため、あまり大きくすると図8の（1）の電流ピークも小さくなってしまう。よって、それを補うために印加するパルス電圧を大きくする必要が生じ、電源回路の負担が大きくなる。従って、ダンピング抵抗を過度に大きくすることは好ましくない。
【００３３】
この様に、コンデンサに直列に接続されたダンピング抵抗を共振回路が含む場合、共振電流の上記振り戻し分を急速に減衰させることができ、ミラーなどの振動子の駆動を妨げる効果を低減できる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明による揺動体装置は、イメージリーダやＯＣＲやバーコードリーダやＬＢＰなどの光学機器に用いられて、光スキャナーで光ビームをエネルギ効率良く走査することができる。こうした光学機器では、光スキャナーは、光源からの光ビームを反射・偏向し、該光ビームの少なくとも一部を光照射対象物に入射させる。更に、本発明による揺動体装置は、上述した様に、電位センサーなどの装置にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例1による光スキャナーを示す概念構成図である。
【図２】パルス駆動時の非共振電流と共振電流を説明する図である。
【図３】駆動信号の駆動周波数と共振回路の共振周波数が同じ場合を説明する図である。
【図４】駆動信号の駆動周波数より共振回路の共振周波数が高い場合を説明する図である。
【図５】駆動信号の駆動周波数より共振回路の共振周波数が高い場合の合成電流とミラーの振れ角を説明する図である。
【図６】本発明の実施例2による光スキャナーを示す概念構成図である。
【図７】駆動信号の駆動周波数より共振回路の共振周波数が高く、ダンピング抵抗を入れた場合の電流を説明する図である。
【図８】駆動信号の駆動周波数より共振回路の共振周波数が高く、ダンピング抵抗を入れた場合の合成電流とミラーの振れ角を説明する図である。
【図９】本発明による揺動体装置を用いた電位センサーの構成例を説明する断面図である。
【図１０】本発明による揺動体装置の複数の振動子を含む形態例を示す上面図である。
【図１１】本発明による揺動体装置の複数の振動子を含む他の形態例を示す上面図である。
【図１２】従来例の光スキャナーを説明する図である。
【符号の説明】
【００３６】
20    光偏向素子（ミラー）
25、104、301、301a    振動子
30、113    駆動手段（永久磁石）
40、114    コイル
50    コンデンサ
70    駆動手段（電源）
80    ダンピング抵抗
111、112    検知電極
151    電位測定対象（測定対象表面）
【図１】
2009122137.tif 000003
【図６】
2009122137.tif 000004
【図９】
2009122137.tif 000005
【図１０】
2009122137.tif 000006
【図１１】
2009122137.tif 000007
【図１２】
2009122137.tif 000008
【図２】
2009122137.tif 000009
【図３】
2009122137.tif 000010
【図４】
2009122137.tif 000011
【図５】
2009122137.tif 000012
【図７】
2009122137.tif 000013
【図８】
2009122137.tif 000014