JP2004191953A - Optical scanning device and image forming device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、反射ミラー部を有する振動体の少なくとも一部を振動させることにより、反射ミラー部に入射した光の反射方向を変化させて光を走査する光走査装置に関するものであり、特に、振動体のうちの弾性変形部の幾何学的特徴を改良する技術に関するものである。 The present invention relates to an optical scanning device that scans light by vibrating at least a part of a vibrating body having a reflection mirror unit to change a reflection direction of light incident on the reflection mirror unit and scan light. The present invention relates to a technique for improving a geometric characteristic of an elastically deformable portion of a body.
従来より、レーザプリンタ、レーザ光を走査して映像を投影する投影装置等、画像形成装置に光走査装置が使用されている。この光走査装置の型式としては、一般に、ポリゴンミラーに代表される一方向回転型と、ガルバノミラーに代表される揺動型とが存在する。揺動型の光走査装置は、一方向回転型の光走査装置に比べ、小型化、軽量化および低コスト化が容易であるといわれている。 2. Description of the Related Art Conventionally, an optical scanning device has been used for an image forming apparatus such as a laser printer, a projection device that scans a laser beam and projects an image. As a type of the optical scanning device, there are generally a one-way rotation type represented by a polygon mirror and a swing type represented by a galvanometer mirror. It is said that the swing type optical scanning device can be easily reduced in size, weight, and cost as compared with the one-direction rotation type optical scanning device.
揺動型の光走査装置の一従来例は、反射ミラー部を有する振動体の少なくとも一部を振動させることにより、反射ミラー部に入射した光の反射方向を変化させて光を走査する光走査装置である。 One conventional example of an oscillating optical scanning device is an optical scanning device in which at least a part of a vibrating body having a reflecting mirror portion is vibrated to change the reflection direction of light incident on the reflecting mirror portion and scan light. Device.
この従来例においては、振動体が、反射ミラー部と、固定枠部と、それら反射ミラー部と固定枠部とに連結された弾性変形部とを含むように構成される。この従来例は、さらに、その弾性変形部にねじり振動を発生させる駆動源を含むように構成される。 In this conventional example, the vibrating body is configured to include a reflecting mirror, a fixed frame, and an elastically deforming portion connected to the reflecting mirror and the fixed frame. This conventional example is further configured to include a drive source that generates torsional vibration in the elastically deformable portion.
従来から、共振現象を利用してガルバノミラーを振動させて光を走査するガルバノスキャナが知られている。この従来のガルバノスキャナにおいては、共振を発生させるための駆動方法として、静電、電磁力、熱、圧電等を利用したものがある。特許文献1には、圧電素子の縦振動を利用した光走査装置の駆動方法が従来例として記載されている。 Conventionally, a galvano scanner that scans light by vibrating a galvanometer mirror using a resonance phenomenon has been known. In this conventional galvano scanner, as a driving method for generating resonance, there is a method using electrostatic, electromagnetic force, heat, piezoelectric, or the like. Patent Document 1 describes a driving method of an optical scanning device using longitudinal vibration of a piezoelectric element as a conventional example.
この従来例においては、弾性の支持枠と弾性変形部と反射ミラー部とが同一平面上において、互いに連成しかつ一体に形成されている。その支持枠の両面のうちの一方に圧電素子が2個、反射ミラーの位置に関して互いに対称である相対位置関係を有するように装着されている。それら2個の圧電素子は互いに逆相で振動させられ、その振動は支持枠を介して弾性変形部に伝達される。それにより、弾性変形部にねじり振動が発生させられ、そのねじり振動によって反射ミラー部が揺動軸線まわりに揺動させられる。 In this conventional example, an elastic supporting frame, an elastically deformable portion, and a reflecting mirror portion are mutually coupled and integrally formed on the same plane. Two piezoelectric elements are mounted on one of both surfaces of the support frame so as to have a relative positional relationship symmetrical with respect to the position of the reflection mirror. These two piezoelectric elements are vibrated in opposite phases to each other, and the vibration is transmitted to the elastically deformable portion via the support frame. Thereby, torsional vibration is generated in the elastically deforming portion, and the torsional vibration causes the reflecting mirror portion to swing around the swing axis.
特許文献2には、光走査装置の別の従来例が記載されている。この従来例においては、反射ミラーの揺動軸線がその反射ミラーの重心位置からオフセットした位置に設定され、さらに、1個の圧電素子による並進振動が支持部を介して反射ミラーに伝達される。これにより、反射ミラーにねじり振動が誘起される。
特許文献3には、加振部と、反射ミラーが装着されたスキャン部と、はり状の弾性変形部とを含むように構成された光走査装置が従来例として記載されている。この従来例においては、弾性変形部のうちの固定端は加振部に、自由端はスキャン部にそれぞれ固定されている。加振部には圧電素子が装着されており、その圧電素子により、弾性変形部の弾性振動モードに対応する種類の振動が加振部に付与される。その振動により、反射ミラーが振動させられてその反射ミラーからの反射光が走査される。 Patent Document 3 describes, as a conventional example, an optical scanning device configured to include a vibrating unit, a scanning unit on which a reflecting mirror is mounted, and a beam-shaped elastic deformation unit. In this conventional example, the fixed end of the elastically deforming portion is fixed to the vibrating portion, and the free end is fixed to the scanning portion. A piezoelectric element is mounted on the vibration unit, and the piezoelectric element applies vibration of a type corresponding to the elastic vibration mode of the elastic deformation unit to the vibration unit. Due to the vibration, the reflection mirror is vibrated, and the light reflected from the reflection mirror is scanned.
特許文献4には光走査装置のさらに別の従来例が記載されている。この従来例においては、ミラー部が第1スプリング部を介して第1フレーム部に連結されている。その第1フレーム部は、第2スプリング部を介して第2フレーム部に連結されている。第2フレーム部には連結部が一体的に形成され、その連結部と第3フレーム部とに複数個の圧電バイモルフが、それぞれの両端部において連結されている。
この従来例においては、連結部に関して互いに対称である一対の圧電バイモルフは、互いに逆位相で曲げ振動させられる。その曲げ振動は、上記連結部により、第2フレーム部のねじり振動に変換される。そのねじり振動により、最終的には、ミラー部が揺動させられる。 In this conventional example, a pair of piezoelectric bimorphs symmetrical to each other with respect to the connection portion are bent and vibrated in opposite phases. The bending vibration is converted into torsional vibration of the second frame portion by the connecting portion. The torsional vibration eventually swings the mirror section.
この種の光走査装置においては、反射ミラー部の振動周波数が、その反射ミラー部からの反射光の走査周波数を意味し、反射ミラー部の揺動角が反射光の走査角を意味する。この種の光走査装置においては、走査角の増加と走査周波数の増加とが背反する関係にあるが、走査角を確保しつつ、走査周波数をできる限り増加させることが強く要望される場合がある。 In this type of optical scanning device, the oscillation frequency of the reflection mirror means the scanning frequency of the reflected light from the reflection mirror, and the swing angle of the reflection mirror means the scanning angle of the reflected light. In this type of optical scanning device, an increase in the scan angle and an increase in the scan frequency are in conflict with each other, but there is a strong demand for increasing the scan frequency as much as possible while securing the scan angle. .
一方、この種の光走査装置においては、弾性変形部の幾何学的特徴(例えば、寸法、配向、周辺要素との相対位置関係等)を変化させると、弾性変形部の振動特性(例えば、振動し易さ、耐久性等)も変化する。 On the other hand, in this type of optical scanning device, when the geometric characteristics (for example, dimensions, orientation, relative positional relationship with peripheral elements, etc.) of the elastically deformable portion are changed, the vibration characteristics (for example, vibration Ease, durability, etc.) also change.
以上説明した事情を背景として、本発明は、反射ミラー部を有する振動体の少なくとも一部を振動させることにより、反射ミラー部に入射した光の反射方向を変化させて光を走査する光走査装置において、振動体のうちの弾性変形部の幾何学的特徴を改良することを課題としてなされたものである。 In view of the circumstances described above, the present invention provides an optical scanning device that scans light by vibrating at least a part of a vibrating body having a reflection mirror unit to change the reflection direction of light incident on the reflection mirror unit. The object of the present invention is to improve the geometric characteristics of the elastically deformable portion of the vibrating body.
本発明によって下記の各態様が得られる。各態様は、項に区分し、各項には番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、本発明が採用し得る技術的特徴の一部およびそれの組合せの理解を容易にするためであり、本発明が採用し得る技術的特徴およびそれの組合せが以下の態様に限定されると解釈されるべきではない。すなわち、下記の態様には記載されていないが本明細書には記載されている技術的特徴を本発明の技術的特徴として適宜抽出して採用することは妨げられないと解釈すべきである。 The following aspects are obtained by the present invention. Each mode is divided into sections, each section is numbered, and described in a format in which the numbers of other sections are cited as necessary. This is to facilitate understanding of some of the technical features that can be adopted by the present invention and combinations thereof, and the technical features that can be adopted by the present invention and combinations thereof are limited to the following embodiments. Should not be interpreted as That is, it should be construed that the technical features not described in the following embodiments but described in the present specification can be appropriately extracted and adopted as the technical features of the present invention.
さらに、各項を他の項の番号を引用する形式で記載することが必ずしも、各項に記載の技術的特徴を他の項に記載の技術的特徴から分離させて独立させることを妨げることを意味するわけではなく、各項に記載の技術的特徴をその性質に応じて適宜独立させることが可能であると解釈されるべきである。 Furthermore, listing each section in a form that quotes the number of the other section does not necessarily prevent the technical features described in each section from being separated from and independent of the technical features described in the other sections. It is to be construed that the technical features described in the respective sections can be appropriately made independent according to their properties.
(1) 反射ミラー部を有する振動体の少なくとも一部を振動させることにより、前記反射ミラー部に入射した光の反射方向を変化させて光を走査する光走査装置であって、
前記振動体は、
前記反射ミラー部に連結され、ねじり振動が発生させられる第1のばね部と、
その第1のばね部に連結され、かつ、前記振動体の固定枠部に前記第1のばね部の幅より広い分岐間隔で分岐して連結され、かつ、曲げ振動とねじり振動とが発生させられる複数の第2のばね部と、
それら複数の第2のばねをそれぞれ振動させる複数の駆動源と
を含み、
前記振動体のうち、互いに対応する各第2のばね部と各駆動源とで構成される弾性変形部における断面2次モーメントが前記第1のばね部の断面2次モーメントより小さい光走査装置。
(1) An optical scanning device that scans light by vibrating at least a part of a vibrating body having a reflection mirror unit to change a reflection direction of light incident on the reflection mirror unit,
The vibrator,
A first spring unit connected to the reflection mirror unit and generating torsional vibration;
The first spring portion is connected to the fixed frame portion of the vibrating body at a branch interval wider than the width of the first spring portion, and bending vibration and torsional vibration are generated. A plurality of second spring portions,
A plurality of driving sources for respectively oscillating the plurality of second springs;
An optical scanning device in which, among the vibrators, a second moment of area in an elastically deformable portion composed of each of the second spring portions and each of the driving sources corresponding to each other is smaller than the second moment of area of the first spring portion.
この装置においては、振動体が、反射ミラー部と固定枠部とが第1のばね部のみによって互いに連結されるのではなく、第1のばね部とそれから分岐して延びる複数の第2のばね部とによって互いに連結される。 In this device, the vibrating body is configured such that the reflecting mirror portion and the fixed frame portion are not connected to each other only by the first spring portion, but the first spring portion and the plurality of second springs extending therefrom. And are connected to each other.
さらに、この装置においては、それら複数の第2のばね部が、第1のばね部の幅より広い間隔で第1のばね部から分岐する状態でその第1のばね部に連結される。これにより、振動体のうちの弾性変形部に相当する複数の第2のばね部の幾何学的特徴が、同じ振動体のうちの他の部分に該当する第1のばね部との関係において適正化される。 Further, in this device, the plurality of second spring portions are connected to the first spring portion in a state where the plurality of second spring portions branch off from the first spring portion at an interval wider than the width of the first spring portion. Thereby, the geometrical characteristics of the plurality of second spring portions corresponding to the elastically deformable portions of the vibrating body are appropriate in relation to the first spring portions corresponding to other portions of the same vibrating body. Be converted to
さらにまた、この装置においては、それら複数の第2のばね部に、ねじり振動のみならず曲げ振動も発生させられる。すなわち、それら複数の第2のばね部は、形状変化に関する自由度が高い状態で弾性変形させられるのである。 Furthermore, in this device, not only torsional vibration but also bending vibration is generated in the plurality of second spring portions. That is, the plurality of second spring portions are elastically deformed in a state where the degree of freedom regarding the shape change is high.
したがって、この装置によれば、反射ミラー部と固定枠部との連結が第1のばね部のみによって行われる場合に比較し、反射ミラー部を振動させるために必要な負荷を第1のばね部と複数の第2のばね部とに分散させることが容易となる。 Therefore, according to this device, the load required to vibrate the reflection mirror unit is reduced by the first spring unit as compared with the case where the connection between the reflection mirror unit and the fixed frame unit is performed only by the first spring unit. And a plurality of second spring portions.
その結果、この装置によれば、反射ミラー部を振動させるために第1のばね部が受けなければならない負荷を軽減することが容易となる。例えば、第1のばね部のねじりを減少させたり、第1のばね部の、他の部分との連結部における応力集中を緩和することが容易となる。 As a result, according to this device, it is easy to reduce the load that must be received by the first spring to vibrate the reflection mirror. For example, it is easy to reduce the torsion of the first spring portion and to ease the stress concentration at the connection portion between the first spring portion and another portion.
さらに、この装置によれば、反射ミラー部を振動させるために各第2のばね部が受けなければならない負荷を軽減することが容易となる。例えば、各第2のばね部のねじりを減少させたり、各第2のばね部の、第1のばね部との連結部および固定枠部との連結部における応力集中を緩和することが容易となる。 Further, according to this device, it is easy to reduce the load that each second spring portion must receive to vibrate the reflection mirror portion. For example, it is easy to reduce the torsion of each second spring portion, and to ease the stress concentration at the connection portion between each second spring portion with the first spring portion and the connection portion with the fixed frame portion. Become.
よって、この装置によれば、反射ミラー部と固定枠部との連結が第1のばね部のみによって行われる場合に比較し、反射ミラー部の振動の程度の割に小さな負荷に第1のばね部および複数の第2のばね部がそれぞれ耐えれば足りる。 Therefore, according to this device, compared to the case where the connection between the reflection mirror section and the fixed frame section is performed only by the first spring section, the first spring can be applied to a small load for the degree of vibration of the reflection mirror section. It is sufficient that the portion and the plurality of second spring portions respectively bear.
その結果、この装置によれば、反射光の走査角の増加と走査周波数の増加との両立の如き、反射ミラー部の振動に対する高度な要望を、振動体の高い耐久性のもとに実現することが容易となる。 As a result, according to this device, a high demand for vibration of the reflection mirror portion, such as compatibility between an increase in the scanning angle of the reflected light and an increase in the scanning frequency, is realized with high durability of the vibrating body. It becomes easier.
さらに、この装置においては、振動体のうち、互いに対応する各第2のばね部と各駆動源とで構成される弾性変形部と、第1のばね部とが断面2次モーメントに関して互いに異ならせられている。具体的には、その弾性変形部の断面2次モーメントが、第1のばね部の断面2次モーメントより小さいものとされている。 Further, in this device, of the vibrating body, the elastically deforming portion composed of the corresponding second spring portions and the respective driving sources, and the first spring portion are different from each other with respect to the second moment of area. Have been. Specifically, the second moment of area of the elastic deformation portion is smaller than the second moment of area of the first spring portion.
一般に、ある部材の断面2次モーメントが小さいほど、その部材の曲げ剛性もねじり剛性も低下する傾向があるため、その部材への同じ入力に応答するその部材の弾性変形量が増加する傾向がある。 In general, the smaller the second moment of area of a member, the lower the bending stiffness and the torsional stiffness of the member, and therefore the amount of elastic deformation of the member in response to the same input to the member tends to increase. .
したがって、この光走査装置によれば、弾性変形部の断面2次モーメントが第1のばね部の断面2次モーメント以上である場合に比較し、弾性変形部が弾性変形し易くなり、よって、反射ミラー部の走査角を増加させることが容易となる。これにより、振動体のうちの弾性変形部に相当する複数の第2のばね部の幾何学的特徴が、同じ振動体のうちの他の部分に該当する第1のばね部との関係において適正化される。この光走査装置によれば、例えば、消費電力の割に大きな走査角を実現することが容易となる。 Therefore, according to this optical scanning device, the elastically deformable portion is more likely to be elastically deformed than when the second moment of area of the elastically deformable portion is greater than or equal to the second moment of area of the first spring portion. It becomes easy to increase the scanning angle of the mirror unit. Thereby, the geometrical characteristics of the plurality of second spring portions corresponding to the elastically deformable portions of the vibrating body are appropriate in relation to the first spring portions corresponding to other portions of the same vibrating body. Be converted to According to this optical scanning device, for example, it is easy to realize a large scanning angle for power consumption.
本項および下記の各項における「分岐間隔」は、例えば、図14において「L2」で示すように、複数の第2のばね部の外縁同士の間隔を意味するように解釈することが可能である。さらに、図示しないが、複数の第2のばね部をそれぞれ長手方向に貫通する複数の中心線間の間隔を意味するように解釈することも可能である。さらに、図示しないが、複数の第2のばね部の内縁同士の間隔を意味するように解釈することが可能である。 The “branch interval” in this section and each of the following sections can be interpreted to mean a distance between outer edges of the plurality of second spring portions, for example, as indicated by “L2” in FIG. is there. Further, although not shown, it can also be interpreted to mean the interval between a plurality of center lines that respectively penetrate the plurality of second spring portions in the longitudinal direction. Further, although not shown, it can be interpreted to mean the interval between the inner edges of the plurality of second spring portions.
(2) 反射ミラー部を有する振動体の少なくとも一部を振動させることにより、前記反射ミラー部に入射した光の反射方向を変化させて光を走査する光走査装置であって、
前記振動体は、
前記反射ミラー部に連結され、ねじり振動が発生させられる第1のばね部と、
その第1のばね部に連結され、かつ、前記振動体の固定枠部に前記第1のばね部の幅より広い分岐間隔で分岐して連結され、かつ、曲げ振動とねじり振動とが発生させられる複数の第2のばね部と
を含み、
前記各第2のばね部は、前記第1のばね部と同じ弾性係数を有する一方、その第1のばね部より弾性変形し易い断面形状を有し、
当該光走査装置は、さらに、前記複数の第2のばねを振動させる駆動源を含む光走査装置。
(2) An optical scanning device which scans light by vibrating at least a part of a vibrating body having a reflection mirror unit to change a reflection direction of light incident on the reflection mirror unit.
The vibrator,
A first spring unit connected to the reflection mirror unit and generating torsional vibration;
The first spring portion is connected to the fixed frame portion of the vibrating body at a branch interval wider than the width of the first spring portion, and bending vibration and torsional vibration are generated. A plurality of second spring portions, and
Each of the second spring portions has the same elastic modulus as the first spring portion, but has a cross-sectional shape that is more easily elastically deformed than the first spring portion,
The optical scanning device further includes a driving source that vibrates the plurality of second springs.
この装置においては、各第2のばね部が、第1のばね部と同じ弾性係数を有する一方、その第1のばね部より弾性変形し易い断面形状を有するものとされている。したがって、この装置においては、各第2のばね部が、第1のばね部より弾性変形し易い機械的性質を有するものとなっている。 In this device, each second spring portion has the same elastic coefficient as the first spring portion, but has a cross-sectional shape that is more easily elastically deformed than the first spring portion. Therefore, in this device, each second spring portion has a mechanical property that is more easily elastically deformed than the first spring portion.
よって、この装置によれば、前記(1)項に係る装置と基本的に共通する原理に従い、第2のばね部が第1のばね部より弾性変形し易くない機械的性質を有する場合に比較し、第2のばね部が弾性変形し易くなり、よって、反射ミラー部の走査角を増加させることが容易となる。この光走査装置によれば、例えば、消費電力の割に大きな走査角を実現することが容易となる。 Therefore, according to this device, the second spring portion has a mechanical property that is less likely to be elastically deformed than the first spring portion, according to the principle basically common to the device according to the above item (1). Then, the second spring portion is easily elastically deformed, so that it is easy to increase the scanning angle of the reflection mirror portion. According to this optical scanning device, for example, it is easy to realize a large scanning angle for power consumption.
(3) 前記分岐間隔は、前記反射ミラー部の幅を超えない(1)または(2)項に記載の光走査装置。 (3) The optical scanning device according to (1) or (2), wherein the branch interval does not exceed the width of the reflection mirror unit.
特開平10−104543号公報には、共振現象を利用して反射ミラー部を振動させる共振型の光走査装置の従来例が記載されている。この従来例は、可動部と固定部とそれらを互いに連結するはり部とを含むように構成された振動体を備えている。可動部にはミラー面が形成されている。一方、固定部には圧電素子が装着されており、その圧電素子によって振動体が加振されると、可動部と共にミラー面が振動させられ、それにより、そのミラー面からの反射光が走査される。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-104543 describes a conventional example of a resonance-type optical scanning device that vibrates a reflection mirror unit using a resonance phenomenon. This conventional example includes a vibrating body configured to include a movable portion, a fixed portion, and a beam portion connecting the movable portion and the fixed portion to each other. A mirror surface is formed on the movable part. On the other hand, a piezoelectric element is mounted on the fixed part, and when the vibrating body is vibrated by the piezoelectric element, the mirror surface is vibrated together with the movable part, whereby the light reflected from the mirror surface is scanned. You.
この従来例においては、振動体の共振振動モードの周波数でその振動体が加振されることにより、ミラー面が揺動させられる。さらに、この従来例においては、ミラー面からの反射光を高速で走査するため、振動体の共振振動モードのうち高次のものを利用してその振動体が振動させられるようになっている。 In this conventional example, the mirror surface is swung by vibrating the vibrating body at the frequency of the resonance vibration mode of the vibrating body. Further, in this conventional example, in order to scan the reflected light from the mirror surface at high speed, the vibrating body is made to vibrate using a higher-order resonance vibration mode of the vibrating body.
しかしながら、この従来例においては、振動体の高次の振動モードが利用されるため、振動体の振動周波数が高く設定される。そのため、高速での光走査は可能であるが、不要な高次の振動モードの重なり、外乱の進入等の理由により、安定した光走査が困難であった。 However, in this conventional example, since the higher-order vibration mode of the vibrating body is used, the vibration frequency of the vibrating body is set high. Therefore, optical scanning at high speed is possible, but stable optical scanning has been difficult due to the overlap of unnecessary higher-order vibration modes and the entry of disturbance.
さらに、この従来例においては、振動体の高次の振動モードが利用されるため、振動体の振幅を確保するために弾性変形部としてのばね部の剛性を低下させることが必要であった。そのため、振動体が破損し易いという傾向があった。 Further, in this conventional example, since a higher-order vibration mode of the vibrating body is used, it is necessary to reduce the rigidity of the spring portion as the elastic deformation portion in order to secure the amplitude of the vibrating body. Therefore, the vibrating body tends to be easily damaged.
一方、共振型の光走査装置においては、それの反射ミラー部からの反射光すなわち走査光の直進性を安定化させることが重要である。 On the other hand, in the resonance type optical scanning device, it is important to stabilize the straightness of the reflected light from the reflecting mirror portion, that is, the scanning light.
これに対し、文献「2次元マイクロ磁気スキャナの実用化に関する考察((社)日本応用磁気学会 第117回研究会「薄膜アクチュエータの応用と新展開」−磁気工学における将来展望−上田譲、浅田規裕著 平成13年12月22日 資料 p.39−44)」には、両持ちはりで支持された振動体に反射ミラーが形成されたマイクロ磁気スキャナにおいて、高速かつ大振幅の光走査を実用化するための従来技術が記載されている。 On the other hand, the literature "Consideration on the practical application of two-dimensional micro magnetic scanner" Hiroyuki, December 22, 2001, p. 39-44), a high-speed, large-amplitude optical scanning is practically used in a micromagnetic scanner in which a reflecting mirror is formed on a vibrating body supported by a doubly supported beam. A conventional technique for converting the data is described.
この従来技術によれば、振動体のねじり共振モードの共振周波数が、その他の振動モード(例えば、垂直並進共振モード、水平並進共振モード、回転共振モード、傾斜共振モード等)の共振周波数より低下させられる。 According to this conventional technique, the resonance frequency of the torsional resonance mode of the vibrating body is made lower than the resonance frequencies of other vibration modes (for example, vertical translation resonance mode, horizontal translation resonance mode, rotation resonance mode, tilt resonance mode, etc.). Can be
しかしながら、この従来技術に従い、走査光の直進性を安定化させるため、ねじり共振モードの共振周波数をその他の振動モードの共振周波数より低下させると、ねじり共振周波数が低下してしまう。そのため、この従来技術を採用する場合には、高速な光走査を実現することは困難である。 However, according to this conventional technique, if the resonance frequency of the torsional resonance mode is made lower than the resonance frequencies of the other vibration modes in order to stabilize the straightness of the scanning light, the torsional resonance frequency decreases. Therefore, when this conventional technique is employed, it is difficult to realize high-speed optical scanning.
本発明者らは、走査光の直進性を向上させることを目的とし、後に詳述する数値解析を行うなどして、種々の研究を行った。その結果、本発明者らは、次の知見を得た。 The present inventors have conducted various studies with the aim of improving the straightness of scanning light by performing numerical analysis, which will be described in detail later. As a result, the present inventors have obtained the following findings.
すなわち、光走査装置を、前記(1)または(2)項における振動体の構成を採用したうえで、複数の第2のばね部の分岐間隔を反射ミラー部の幅を超えないように設定すれば、振動体に発生し得る複数種類の振動モードのうち、必要な振動モードであるねじり振動モードの固有振動数より低い周波数範囲内において、不要な振動モードである垂直振動モードあるいは水平振動モードのうち高次のものの発生が抑制されるという知見を得たのである。 That is, the optical scanning device may be configured such that the branch interval between the plurality of second spring portions does not exceed the width of the reflection mirror portion after adopting the configuration of the vibrating body in the above item (1) or (2). For example, among a plurality of types of vibration modes that can be generated in a vibrating body, in a frequency range lower than the natural frequency of the required vibration mode, the vertical vibration mode or the horizontal vibration mode that is an unnecessary vibration mode, Among them, they found that the generation of higher-order ones was suppressed.
このように分岐間隔を設定すれば、ねじり振動モードの固有振動数が、他の振動モードの固有振動数から大きく隔たることになるため、振動体のねじり共振時に、その振動体に振動モードの重なりが発生せず、走査光の直進性が向上する。 If the branch interval is set in this manner, the natural frequency of the torsional vibration mode is greatly separated from the natural frequency of the other vibration modes. No overlap occurs, and the straightness of the scanning light is improved.
さらに、このように分岐間隔を設定すれば、振動体を高周波かつ大走査角で振動させる際に、不要な振動モードの発生あるいは必要な振動モードと不要な振動モードとの重なりが原因で振動体が破損してしまう可能性が軽減される。 Further, if the branch interval is set in this manner, when the vibrating body is vibrated at a high frequency and a large scanning angle, an unnecessary vibration mode is generated or the vibrating body is overlapped with the unnecessary vibration mode due to an unnecessary vibration mode. Is less likely to be damaged.
以上説明した知見に基づき、本項に係る光走査装置においては、前記(1)または(2)項における振動体の構成が採用されたうえで、複数の第2のばね部の分岐間隔が反射ミラー部の幅を超えないようにされている。 Based on the findings described above, in the optical scanning device according to this item, the branch interval of the plurality of second spring portions is reflected after the configuration of the vibrator in the above item (1) or (2) is adopted. The width of the mirror is not exceeded.
(4) 前記複数の第2のばね部は、各板厚方向に対して平行な面内における曲げ振動が発生させられる(1)ないし(3)項のいずれかに記載の光走査装置。 (4) The optical scanning device according to any one of (1) to (3), wherein the plurality of second spring portions generate bending vibration in a plane parallel to each plate thickness direction.
(5) 前記複数の第2のばね部は、互いに逆位相で曲げ振動が発生させられる(4)項に記載の光走査装置。 (5) The optical scanning device according to (4), wherein the plurality of second spring portions generate bending vibrations in mutually opposite phases.
この装置によれば、複数の第2のばね部に各曲げ振動が、各曲げ振動から変換される第1のばね部のねじり振動を互いに強め合う状態で発生させられるため、反射ミラー部の振れ角すなわち走査角を増加させることが容易となる。 According to this device, since each bending vibration is generated in the plurality of second spring portions in a state where the torsional vibration of the first spring portion converted from each bending vibration is strengthened mutually, the deflection of the reflection mirror portion is generated. It is easy to increase the angle, that is, the scan angle.
(6) 前記複数の第2のばね部は、機械的な力により、互いに逆位相で曲げ振動が発生させられる(5)項に記載の光走査装置。 (6) The optical scanning device according to (5), wherein the plurality of second spring portions generate bending vibrations in opposite phases to each other by a mechanical force.
(7) 前記駆動源は、前記複数の第2のばね部のうちの少なくとも一方である対象ばね部に装着される(6)項に記載の光走査装置。 (7) The optical scanning device according to (6), wherein the drive source is mounted on at least one of the plurality of second spring portions, which is a target spring portion.
(8) 前記駆動源は、前記対象ばね部の両面のうちの少なくとも一方である対象面に固着される(7)項に記載の光走査装置。 (8) The optical scanning device according to (7), wherein the drive source is fixed to a target surface that is at least one of both surfaces of the target spring portion.
(9) 前記駆動源は、前記対象面と、前記固定枠部のうち前記対象ばね部と隣接した部分の両面のうち前記対象面に対応するものとに跨る姿勢で前記対象面に固着される(8)項に記載の光走査装置。 (9) The drive source is fixed to the target surface in a posture that straddles the target surface and one of the two surfaces of the fixed frame portion adjacent to the target spring portion corresponding to the target surface. The optical scanning device according to item (8).
前記(8)項に係る装置は、駆動源が対象面に、固定枠部には及ばない姿勢で固着される態様で実施することが可能である。しかし、この態様を採用する場合には、第2のばね部と固定枠部との連結点に振動の節が安定的に位置する状態で振動体が振動させられるとは限らない。 The device according to the above mode (8) can be implemented in a mode in which the drive source is fixed to the target surface in a posture that does not reach the fixed frame portion. However, when this mode is adopted, the vibrating body is not necessarily vibrated in a state where the node of vibration is stably located at the connection point between the second spring portion and the fixed frame portion.
これに対し、本項に係る装置においては、駆動源が対象面に、固定枠部に及ぶ姿勢で固着される。したがって、この装置によれば、第2のばね部と固定枠部との連結点に振動体の振動の節が安定的に位置する状態で振動体が振動させられることになる。 On the other hand, in the device according to this aspect, the drive source is fixed to the target surface in a posture reaching the fixed frame portion. Therefore, according to this device, the vibrating body is vibrated in a state where the node of vibration of the vibrating body is stably located at the connection point between the second spring portion and the fixed frame portion.
よって、この装置によれば、振動体の振動の節が、第2のばね部と固定枠部との連結点より、第2のばね部の側にずれた位置に位置する状態で振動体が振動させられる場合とは異なり、振動体の振動状態が安定する。 Therefore, according to this device, the vibrating body is placed in a state where the node of vibration of the vibrating body is located at a position shifted toward the second spring portion from the connection point between the second spring portion and the fixed frame portion. Unlike the case where the vibrating body is vibrated, the vibration state of the vibrating body is stabilized.
さらに、この装置によれば、第2のばね部の全体が、曲げ変形およびねじり変形の発生に関与し得ることとなる。したがって、この装置によれば、第2のばね部の全体を有効に利用することにより、駆動源の振動を第2のばね部に効率よく伝達することが容易となる。よって、この装置によれば、同じ駆動源の振動によって大きな走査角を実現することが容易となる。 Further, according to this device, the entire second spring portion can be involved in the occurrence of bending deformation and torsional deformation. Therefore, according to this device, by effectively utilizing the entire second spring portion, it becomes easy to efficiently transmit the vibration of the drive source to the second spring portion. Therefore, according to this device, it is easy to realize a large scanning angle by the vibration of the same driving source.
なお付言するに、本項に記載の技術的特徴、すなわち、振動の節に位置的に一致するように駆動源を配置するという特徴は、先行する他の項に記載の技術的特徴から分離して実施することが可能である。 It should be noted that the technical features described in this section, that is, the feature of arranging the drive source so as to positionally correspond to the nodes of vibration, are separated from the technical features described in the preceding other sections. Can be implemented.
(10) 前記駆動源は、薄膜形成法により、前記対象面に固着される(8)または(9)項に記載の光走査装置。 (10) The optical scanning device according to (8) or (9), wherein the driving source is fixed to the target surface by a thin film forming method.
この装置によれば、駆動源を対象面に、接着剤を用いずに装着することが可能となる。よって、この装置によれば、駆動源を対象面に、接着層を介在させることなく、一体的にかつ強固に装着することが可能となる。 According to this device, the drive source can be mounted on the target surface without using an adhesive. Therefore, according to this device, the drive source can be integrally and firmly attached to the target surface without the interposition of the adhesive layer.
したがって、この装置によれば、駆動源と対象面との間に接着層が介在することから派生するずれや剥離という問題を心配せずに済み、振動体の振動を安定化させることが容易となる。 Therefore, according to this device, it is not necessary to worry about the problem of displacement and separation caused by the interposition of the adhesive layer between the driving source and the target surface, and it is easy to stabilize the vibration of the vibrating body. Become.
(11) 前記薄膜形成法は、CVDと、スパッタリングと、水熱合成と、ゾルゲルと、微粒子吹き付けとのいずれかである(10)項に記載の光走査装置。 (11) The optical scanning device according to (10), wherein the thin film forming method is any one of CVD, sputtering, hydrothermal synthesis, sol-gel, and fine particle spraying.
ここに、「CVD」は、よく知られているように、ガス−固体またはガス−液体の化学反応によって基板の表面に層または膜を被着させる化学気相成長技術である。スパッタリングは、真空中の放電により、基板の表面に層または膜を被着させる技術である。水熱合成は、高温高圧で水溶液中のイオンを結晶析出させて被膜を作製する技術である。微粒子吹き付けは、ガスと混合された超微粒子を、細いノズルを通して、基板上に加速して吹き付けて被膜を形成する技術である。 As used herein, "CVD" is a chemical vapor deposition technique for depositing a layer or film on the surface of a substrate by a gas-solid or gas-liquid chemical reaction. Sputtering is a technique for depositing a layer or film on the surface of a substrate by electrical discharge in a vacuum. Hydrothermal synthesis is a technique for forming a film by crystallizing ions in an aqueous solution at high temperature and high pressure. Fine particle spraying is a technique in which ultrafine particles mixed with a gas are accelerated and sprayed onto a substrate through a fine nozzle to form a coating.
(12) 前記駆動源は、前記対象ばね部に沿って延び、かつ、その延びる方向に伸縮させられる(7)ないし(11)項のいずれかに記載の光走査装置。 (12) The optical scanning device according to any one of (7) to (11), wherein the drive source extends along the target spring portion and is expanded and contracted in the extending direction.
(13) 前記駆動源は、前記振動体を直接的に加振する(2)項に記載の光走査装置。 (13) The optical scanning device according to (2), wherein the drive source directly vibrates the vibrator.
(14) 前記駆動源は、前記振動体を間接的に加振する(2)項に記載の光走査装置。 (14) The optical scanning device according to (2), wherein the driving source indirectly vibrates the vibrating body.
(15) 前記駆動源は、前記振動体をその共振周波数と同じ周波数で加振する(1)ないし(14)項のいずれかに記載の光走査装置。 (15) The optical scanning device according to any one of (1) to (14), wherein the drive source vibrates the vibrating body at the same frequency as its resonance frequency.
この装置によれば、振動体が共振状態にあることによって振動的に安定した状態においてその振動体が揺動させられるため、安定した光走査を行うことが容易となる。 According to this device, since the vibrating body is oscillated in a vibrationally stable state due to the vibrating body being in a resonance state, stable optical scanning can be easily performed.
(16) 前記反射ミラー部は、前記ねじり振動により、揺動軸線まわりに揺動させられ、
前記振動体は、さらに、前記第1のばね部と、前記複数の第2のばね部とを互いに連結する連結部を含み、それら第1のばね部と複数の第2のばね部と連結部とが連結体を構成し、
その連結体は、前記振動体に、前記反射ミラー部を隔てて前記揺動軸線の方向において互いに対向する2個の対向位置にそれぞれ配置される(1)ないし(15)項のいずれかに記載の光走査装置。
(16) The reflection mirror section is caused to swing around a swing axis by the torsional vibration,
The vibrating body further includes a connecting portion that connects the first spring portion and the plurality of second spring portions to each other, and the first spring portion, the plurality of second spring portions, and the connecting portion. And constitute a connected body,
(1) The connecting body is disposed at two opposing positions of the vibrating body that oppose each other in the direction of the oscillation axis with the reflection mirror section interposed therebetween. Optical scanning device.
この装置によれば、反射ミラー部を隔てて互いに対向する2個の連結体により、反射ミラー部がそれの両側において加振されるため、一側においてのみ反射ミラー部が加振される場合より、反射ミラー部の反射面の角度を安定化させることが容易となる。 According to this device, the reflection mirror is vibrated on both sides of the reflection mirror by the two coupling bodies opposed to each other with the reflection mirror interposed therebetween, so that the reflection mirror is vibrated only on one side. In addition, it is easy to stabilize the angle of the reflection surface of the reflection mirror section.
なお付言するに、本項および下記の各項における「連結部」は、例えば、その連結部が属する連結体における第2のばね部の一部を構成するものとして定義することも、その連結部が属する連結体における第1のばね部の一部を構成するものとして定義することも可能である。 It should be noted that the term “connecting portion” in this section and each of the following sections may be defined as, for example, a part of the second spring portion of the connecting body to which the connecting portion belongs, or may be defined as the connecting portion. Can also be defined as constituting a part of the first spring portion in the connected body to which.
さらに付言するに、本項に記載の技術的特徴、すなわち、ばね部の対向配置は、先行する他の項に記載の技術的特徴から分離して実施することが可能である。 Further, the technical features described in this section, that is, the opposing arrangement of the spring portions can be implemented separately from the technical features described in the other preceding sections.
(17) 前記2個の対向位置にそれぞれ配置された2個の連結体は、前記反射ミラー部の位置に関して互いに対称的に配置される(16)項に記載の光走査装置。 (17) The optical scanning device according to the mode (16), wherein the two coupled bodies respectively arranged at the two opposing positions are arranged symmetrically with respect to the position of the reflection mirror unit.
(18) 前記振動体は、さらに、前記第1のばね部と、前記複数の第2のばね部とを互いに連結する連結部を含み、前記駆動源は、その連結部に装着されない(1)ないし(17)項のいずれかに記載の光走査装置。 (18) The vibrating body further includes a connecting portion that connects the first spring portion and the plurality of second spring portions to each other, and the drive source is not attached to the connecting portion (1). The optical scanning device according to any one of the above items (17) to (17).
この装置においては、第2のばね部の曲げ振動およびねじり振動が、連結部を経て、第1のばね部にねじり振動として伝達される。連結部はその弾性変形により、その振動伝達機能を果す。この装置においては、そのような振動伝達機能を果たす連結部に駆動源が装着されないようになっている。 In this device, bending vibration and torsional vibration of the second spring portion are transmitted to the first spring portion as torsional vibration via the connecting portion. The connecting portion performs its vibration transmitting function by its elastic deformation. In this device, a drive source is not mounted on a connecting portion that performs such a vibration transmitting function.
したがって、この装置よれば、駆動源が連結部に装着される場合に比較し、駆動源が連結部の弾性変形を阻害してしまう可能性が軽減される。よって、この装置によれば、反射ミラー部の走査角が犠牲になってしまう位置に駆動源が配置されずに済む。 Therefore, according to this device, the possibility that the driving source inhibits the elastic deformation of the connecting portion is reduced as compared with the case where the driving source is mounted on the connecting portion. Therefore, according to this device, the driving source does not have to be disposed at a position where the scanning angle of the reflection mirror section is sacrificed.
(19) 前記振動体は、さらに、前記第1のばね部と、前記複数の第2のばね部とを互いに連結する連結部を含み、その連結部は、前記第1のばね部と、前記複数の第2のばね部とにそれぞれ実質的に直角に連結される(1)ないし(18)項のいずれかに記載の光走査装置。 (19) The vibrating body further includes a connecting portion that connects the first spring portion and the plurality of second spring portions to each other, and the connecting portion includes the first spring portion and the second spring portion. The optical scanning device according to any one of (1) to (18), wherein the optical scanning device is connected to the plurality of second spring portions at substantially right angles.
この装置によれば、連結部が第1のばね部と各第2のばね部とにそれぞれ斜めに連結される場合と比較し、例えば、振動体に所期の振動特性を与えるための設計が複雑にならずに済む。 According to this device, for example, a design for giving a desired vibration characteristic to the vibrating body is compared with a case where the connecting portion is obliquely connected to the first spring portion and each of the second spring portions. It doesn't have to be complicated.
一方、各第2のばね部の変形のうち曲げ変形のみに着目すると、各第2のばね部と連結部とが互いに直角に連結される状態から、それらが互いに直列に連結される状態に移行するにつれて、各第2のばね部の曲げ変形が、連結部の伸縮に依存する傾向が増加するために、連結部によって阻害される傾向が増加する。 On the other hand, focusing only on the bending deformation among the deformations of the second spring portions, a transition from a state in which each second spring portion and the connecting portion are connected at right angles to a state in which they are connected in series with each other. Accordingly, the tendency of the bending deformation of each second spring portion to depend on the expansion and contraction of the connecting portion increases, so that the tendency of the second spring portion to be inhibited by the connecting portion increases.
これに対し、本項に係る装置によれば、各第2のばね部と連結部とが互いに実質的に直角に連結されるため、各第2のばね部の変形のうち曲げ変形が連結部によって阻害されずに済む。 On the other hand, according to the device according to this aspect, since each second spring portion and the connection portion are connected to each other substantially at a right angle, bending deformation of the deformation of each second spring portion is reduced at the connection portion. Without being disturbed.
なお付言するに、本項に記載の技術的特徴、すなわち、ばね部同士の直交配置は、先行する他の項に記載の技術的特徴から分離して実施することが可能である。 It should be noted that the technical features described in this section, that is, the orthogonal arrangement of the spring portions can be implemented separately from the technical features described in other preceding sections.
(20) 光束の走査によって画像を形成する画像形成装置であって、
前記光束を出射する光源と、
(1)ないし(19)項のいずれかに記載の光走査装置を有し、その光走査装置を使用することにより、前記光源から出射した光束を走査する走査部と
を含む画像形成装置。
(20) An image forming apparatus which forms an image by scanning a light beam,
A light source for emitting the light beam;
(1) An image forming apparatus comprising: the optical scanning device according to any one of (1) to (19); and a scanning unit that scans a light beam emitted from the light source by using the optical scanning device.
この画像形成装置においては、高い走査周波数と大きな走査角との両立を容易に図り得る光走査装置を使用することにより、画像を形成するための光束の走査が行われる。 In this image forming apparatus, scanning of a light beam for forming an image is performed by using an optical scanning device that can easily achieve both a high scanning frequency and a large scanning angle.
(21) 前記走査部は、前記光束を第1方向に走査する第1走査と、その第1方向と交差する第2方向に前記第1走査より低速で走査する第2走査とを行うものであり、前記光走査装置は、前記第1走査を行うために使用される(20)項に記載の画像形成装置。 (21) The scanning unit performs a first scan that scans the light beam in a first direction and a second scan that scans in a second direction intersecting the first direction at a lower speed than the first scan. The image forming apparatus according to (20), wherein the optical scanning device is used for performing the first scanning.
この画像形成装置においては、走査部により行われる2種類の走査のうち、より速い走査速度が要求される方が、上記光走査装置を使用して行われる。したがって、この画像形成装置によれば、2種類の走査のうち性能向上のために上記光走査装置を使用することがより適切なものが選択され、その選択された種類の走査に上記光走査装置が使用される。 In this image forming apparatus, of the two types of scanning performed by the scanning unit, the one requiring a higher scanning speed is performed using the optical scanning device. Therefore, according to this image forming apparatus, one of the two types of scanning, which is more appropriate to use the optical scanning device for improving the performance, is selected, and the optical scanning device is selected for the selected type of scanning. Is used.
(22) さらに、前記走査部によって走査された光束を観察者の網膜に向かって誘導する光学系を含む(20)または(21)項に記載の画像形成装置。 (22) The image forming apparatus according to (20) or (21), further including an optical system that guides a light beam scanned by the scanning unit toward a retina of an observer.
以下、本発明のさらに具体的な実施の形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, some of the more specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1には、本発明の第1実施形態に従う光走査装置1を備えた網膜走査型の画像形成装置100が全体的には系統的に示され、部分的にはブロック図で示されている。
FIG. 1 shows a retinal scanning type
図1に示すように、光走査装置1を備えた画像形成装置100は、観察者の網膜上に直接画像を投影するように構成されており、観察者の頭部に装着して使用される型式のディスプレイ装置である。
As shown in FIG. 1, an
図1に示すように、画像形成装置100は、光源ユニット部101と、走査部としての垂直走査系102および水平走査系103を備えている。画像形成装置100は、さらに、リレー光学系126,127と、コリメトリーレンズ122と、ビームディテクタ123(これは光センサの一例である。)とを備えている。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、光源ユニット部101は、映像信号供給回路104と、その映像信号供給回路104に接続された光源ドライブ回路105と、その光源ドライブ回路108により駆動される光源106とを備えている。光源ユニット部101は、さらに、コリメート光学系107と、ダイクロイックミラー115,115,115と、結合光学系116と、BD信号検出回路118とを備えている。結合光学系116とコリメトリーレンズ122とは、光ファイバ117により光学的に互いに接続されている。
As shown in FIG. 1, the
図1に示すように、映像信号供給回路104には、光源ドライブ回路105を互いに共同して構成する青色レーザドライバ108、緑色レーザドライバ109および赤色レーザドライバ110が接続されている。映像信号供給回路104は、入力された映像信号に基づいて各色の駆動信号をそれらドライバ108,110,112に対して供給する。
As shown in FIG. 1, the video
図1に示すように、映像信号供給回路104は、水平走査系103の水平走査駆動回路121と、垂直走査系102の垂直走査駆動回路124とにも接続されており、走査動作の同期に必要な水平同期信号119および垂直同期信号120をそれぞれ、対応する駆動回路121,124に供給する。
As shown in FIG. 1, the video
図1に示すように、映像信号供給回路104は、BD信号検出回路118に接続され、そのBD信号検出回路118には、光走査装置1の走査光を検出するビームディテクタ123が接続されている。
As shown in FIG. 1, the video
走査光がビームディテクタ123に入射すると、そのことを示すBD信号がビームディテクタ123から出力される。その出力されたBD信号は、BD信号検出回路118に入力される。映像信号供給回路104は、そのBD信号検出回路118から入力されたBD信号を利用することにより、形成すべき画像の1フレームを構成する複数本のラインの1ラインごとに、そのフレームを形成するために各色の駆動信号を各ドライバ108,109,110に出力すべきタイミングを決定する。
When the scanning light enters the
青色レーザドライバ108、緑色レーザドライバ109および赤色レーザドライバ110はそれぞれ、映像信号供給回路104から供給される各色の駆動信号に基づき、各色のレーザ光の強度を変調するための駆動信号を青色レーザ111、緑色レーザ112および赤色レーザ113に供給し、それにより、各レーザ111,112,113を駆動する。青色レーザ111、緑色レーザ112および赤色レーザ113はそれぞれ、青色レーザドライバ108、緑色レーザドライバ109および赤色レーザドライバ110からの各駆動信号に基づき、青色、緑色および赤色の各波長に対応するレーザ光であって強度が変調されたものをレーザ光(レーザビーム)として発生させる。
The
図1に示すように、コリメート光学系107には、コリメートレンズ114,114,114が設けられている。それらコリメートレンズ114,114,114はそれぞれ、青色レーザ111、緑色レーザ112および赤色レーザ113から拡散的に放射された3色のレーザ光を平行光に変換してダイクロイックミラー115,115,115に入射させる。それらダイクロイックミラー115,115,115は、3色のレーザ光を合成し、その合成されたレーザ光は結合光学系116に入射する。
As shown in FIG. 1, the collimating
結合光学系116に入射したレーザ光は、光ファイバ117を経由してコリメートレンズ122に入射する。光ファイバ117の末端から拡散的に放射されたレーザ光は、コリメートレンズ122によって平行光に変換される。その平行光化されたレーザ光は、水平走査系103に水平走査装置として設けられた光走査装置1の反射ミラー8に入射する。
The laser light that has entered the coupling
光走査装置1は、反射ミラー8に入射したレーザ光の反射方向を変化させてレーザ光を水平方向に走査するために利用される。光走査装置1においては、その水平走査のため、映像信号供給回路104から供給される水平同期信号119に基づいて水平走査駆動回路121が制御され、その水平走査駆動回路121によって反射ミラー8が振動させられる。その振動によって光走査装置1によって走査されたレーザ光は、リレー光学系126を経由して、垂直走査系102の反射ミラー部125に導かれる。
The optical scanning device 1 is used to change the reflection direction of the laser light incident on the
垂直走査系102は、映像信号供給回路104から供給される垂直同期信号120に基づいて制御される垂直走査駆動回路124を備えている。その垂直走査駆動回路124は、図示しないアクチュエータを駆動して反射ミラー部125を図1において矢印で示す方向に揺動(回転振動)させる。これにより、反射ミラー部125に入射したレーザ光の反射方向が変化させられてその反射レーザ光が垂直方向に走査される。
The
すなわち、本実施形態においては、水平走査系103の光走査装置1と垂直走査系102の反射ミラー部125との共同作用により、レーザ光が2次元的に走査されることになるのである。このようにして走査されたレーザ光は、リレー光学系127により整形されて観察者の瞳孔に入射し、網膜上に直接画像として投影される。
That is, in the present embodiment, the laser light is two-dimensionally scanned by the cooperative action of the optical scanning device 1 of the
図2には、水平走査系103の水平走査駆動回路121の詳細がブロック図で示されている。水平走査駆動回路121は、発振器121aと、位相反転回路121bと、位相シフタ121c,121dと、アンプ121e,121fとを備えている。
FIG. 2 is a block diagram showing details of the horizontal
発振器121aには、図1に示す映像信号供給回路104から水平同期信号119が供給される。その水平同期信号119に基づき、発振器121aは正弦波信号を生成し、その生成された正弦波は、位相反転回路121bと位相シフタ121cとにそれぞれ入力される。
The
水平同期信号119が入力された位相シフタ121cは、映像信号供給回路104の画像信号と光走査装置1の反射ミラー部125との位相を調整するための信号を生成する。その生成された信号がアンプ121eによって増幅されることにより、光走査装置1に設けられた駆動源aおよびbにそれぞれ駆動電圧が供給される。
The
一方、同じ水平同期信号119が発振器121aから入力された位相反転回路121bは、その入力された水平同期信号119の位相を反転させた反転信号を位相シフタ121dを経てアンプ121fに供給する。それら位相シフタ121dおよびアンプ121fは、上記の場合と同様にして動作する結果、上記反転信号を反映する駆動電圧が、光走査装置1に設けられた駆動源cおよびdにそれぞれ供給される。
On the other hand, the phase inversion circuit 121b, to which the same
本実施形態においては、駆動源aおよびbから成る第1組と、駆動源cおよびdから成る第2組とが、互いに逆位相で駆動されることにより、各駆動源a,b,c,dの各瞬間における変位方向が、それら2組間で互いに逆向きとなる。本実施形態においては、後述のように、それら第1組と第2組とが、反射ミラー8の揺動中心線を隔てて互いに対向するように光走査装置1に配置される。したがって、それら2組が互いに逆位相で駆動されることにより、反射ミラー8がねじり振動によって揺動させられ、その結果、反射ミラー8から反射するレーザ光が水平方向に走査される。
In the present embodiment, the first set of drive sources a and b and the second set of drive sources c and d are driven in opposite phases to each other, so that each of the drive sources a, b, c, The displacement directions at each moment of d are opposite to each other between the two sets. In the present embodiment, as will be described later, the first set and the second set are arranged in the optical scanning device 1 so as to face each other across the swing center line of the
このようにして走査されたレーザ光は、前述のように、リレー光学系126を経由して垂直光走査系102の反射ミラー部125に導かれる。
The laser light scanned in this manner is guided to the
ここで、図3ないし図5を参照することにより、画像形成装置100に使用される光走査装置1を詳細に説明する。図3は、光走査装置1の組付状態での斜視図であり、図4は、光走査装置1の分解斜視図であり、図5は、光走査装置1の反射ミラー8の表面の状態を説明するための斜視図である。
Here, the optical scanning device 1 used in the
図3および図4に示すように、光走査装置1は、略直方体のベース台2を備えており、そのベース台2には凹部2aがベース台2の上面中央部に開口する状態で形成されている。そのベース台2の上面に振動体5が固着される。
As shown in FIGS. 3 and 4, the optical scanning device 1 includes a substantially
振動体5は、固定枠部7を備えており、その固定枠部7はベース台2の上面に支持される。具体的には、固定枠部7は、ベース台2のうち凹部2aの周囲に形成された支持部3に支持される。支持部3の上面は、振動体5の固定枠部7と略同一の幅で延びる平面として形成され、かつ、その上面の中央部は空洞とされている。その結果、支持部3には、矩形状の中空枠であって固定枠部7に近似するものが形成されている。
The vibrating body 5 includes a fixed
ベース台2の上面に開口する凹部2aがベース台2に形成されているため、振動体5に形成された反射ミラー8の揺動時(振動時)に反射ミラー8がベース台2に干渉せずに済む。ベース台2は、微細な大きさを有するように形成されており、凹部2aは、例えばエッチングにより形成される。
Since the
ここで、図3および図4を参照することにより、振動体5を詳細に説明する。 Here, the vibrator 5 will be described in detail with reference to FIGS.
振動体5は、平面視で略長方形を成す薄くて小さなシリコン板を基材として形成されている。振動体5の製造方法については後に詳述する。 The vibrating body 5 is formed using a thin and small silicon plate having a substantially rectangular shape in a plan view as a base material. A method for manufacturing the vibrating body 5 will be described later in detail.
そのシリコン板に振動体5の複数の構成要素が形成される。それら構成要素には、反射ミラー8と、その反射ミラー8に連結される第1のばね部9,10と、第1のばね部9に接続される第2のばね部12,13と、第1のばね部10に接続される第2のばね部15,16と、第2のばね部12,13,15,16が接続される固定枠部7とがある。
A plurality of components of the vibrator 5 are formed on the silicon plate. These components include a
それら構成要素はエッチングによりシリコン板上に形成される。本実施形態においては、それら構成要素が一体的に形成されることにより、振動体5が構成されている。 These components are formed on a silicon plate by etching. In the present embodiment, the vibrating body 5 is configured by integrally forming these components.
図3および図4に示すように、反射ミラー8は、長方形または正方形を成して、振動体5の略中央部に配置されている。この反射ミラー8は、図3および図4において横方向に延びる揺動軸線まわりに揺動させられることにより、その反射ミラー8に入射した光の反射方向を変化させる。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
振動体5においては、反射ミラー8の一側には、第1のばね部9から2本の第2のばね部12,13が互いに並列に分岐するように第1のばね部9と2本の第2のばね部12,13とが互いに連結されて成る第1連結体が配置されている。同様にして、反射ミラー8の他側には、第1のばね部10から2本の第2のばね部15,16が互いに並列に分岐するように第1のばね部10と2本の第2のばね部15,16とが互いに連結されて成る第2連結体が配置されている。それら第1および第2連結体は、反射ミラー8に関して互いに対称となる相対位置関係を有するように配置されている。
In the vibrating body 5, on one side of the
第1連結体においては、2本の第2のばね部12,13が、共に反射ミラー8の一側に位置して、揺動軸線を隔てて互いに対向し、同様に、第2連結体においては、2本の第2のばね部15,16が、共に反射ミラー8の他側に位置して、揺動軸線を隔てて互いに対向している。第1連結体に属する2本の第2のばね部12,13に駆動源a,bがそれぞれ固着される一方、第2連結体に属する2本の第2のばね部15,16に駆動源c,dがそれぞれ固着されている。
In the first coupling body, the two
図5に示すように、反射ミラー8の表面には光反射膜8aが形成されており、高い反射効率が実現されている。光走査のために反射ミラー8を動作する際の振動周波数すなわち動作振動周波数は、反射ミラー8の共振周波数とほぼ等しくなるように設定することが反射ミラー8の振動状態を安定化させるために望ましい。
As shown in FIG. 5, a
図3および図4に示すように、第1のばね部9,10および第2のばね部12,13,15,16は、固定枠部7の略中央部に配置された反射ミラー8をねじり振動可能に支持するものである。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
具体的には、前述の説明から明らかなように、第1のばね部9,10はそれぞれ、一端部において反射ミラー8の両側縁の幅方向中央位置に連結され、揺動軸線まわりにねじり振動(ねじり変形の反復)させられる。
Specifically, as is apparent from the above description, each of the
第2のばね部12,13,15,16は、それぞれの中心線(長手軸線)まわりにねじり振動(ねじり変形の反復)させられると同時に、各板面に直角な面内において曲げ振動(曲げ変形の反復)させられるように、形状、配向等、幾何学的特徴が予め設定されている。
The
2本の第2のばね部12,13は、共に、第1のばね部9の他端部に連結され、その第1のばね部9の幅より広い間隔でその第1のばね部9から分岐させられている。それら2本の第2のばね部12,13は、図3および図4から明らかなように、第1のばね部9の幅より広い隙間であって揺動軸線に沿って延びるものを隔てて互いに対向している。それら2本の第2のばね部12,13は、共に、それらの一端部において第1のばね部9の他端部に連結される一方、それらの他端部において固定枠部7に連結されている。
The two
同様にして、2本の第2のばね部15,16は、共に、第1のばね部10の他端部に連結され、その第1のばね部10の幅より広い間隔でその第1のばね部10から分岐させられている。それら2本の第2のばね部15,16は、図3および図4から明らかなように、第1のばね部10の幅より広い隙間であって揺動軸線に沿って延びるものを隔てて互いに対向している。それら2本の第2のばね部15,16は、共に、それらの一端部において第1のばね部10の他端部に連結される一方、それらの他端部において固定枠部7に連結されている。
Similarly, the two
以上要するに、本実施形態においては、第1のばね部9,10が反射ミラー8をそれの両側において直接に支持する一方、第2のばね部12,13は第1のばね部9を介して、第2のばね部15,16は第1のばね部10を介して間接に反射ミラー8を支持しているのである。
In short, in the present embodiment, the
上述のように、2本の第2のばね部12,13は、第1のばね部9の幅より広い間隔でその第1のばね部9から分岐させられ、同様にして、2本の第2のばね部15,16は、第1のばね部10の幅より広い間隔でその第1のばね部10から分岐させられている。
As described above, the two
ここに、各第1のばね部9,10の幅寸法をW、第1組の第2のばね部12,13と第2組の第2のばね部15,16とのそれぞれの分岐間隔をDでそれぞれ表記する。さらに、分岐間隔Dを、図24におけるL2と同様に、第1組の第2のばね部12,13と第2組の第2のばね部15,16とのそれぞれの外縁同士の間隔を意味するように定義する。この定義によれば、分岐間隔Dは、幅Wの約10倍としたり(図24に示す振動体5の場合)、約9ないし11倍の範囲内の値としたり、約8ないし12倍の範囲内の値としたり、約2ないし15倍の範囲内の値とすることが望ましい。
Here, the width dimension of each of the
図3および図4に示すように、第2のばね部12,13は、平面視でL状または逆L字状を成すように形成されており、各一端部は、第1のばね部9に略垂直に連結され、一方、各他端部は、固定枠部7に略垂直に連結されている。同様に、第2のばね部15,16は、平面視でL状または逆L字状を成すように形成されており、各一端部は、第1のばね部10に略垂直に連結され、一方、各他端部は、固定枠部7に略垂直に連結されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the
本実施形態においては、前述のように、1本の第1のばね部9に2本の第2のばね部12,13が一体的に連結され、同様に、1本の第1のばね部10に2本の第2のばね部15,16が一体的に連結されている。そして、第1のばね部9,10は、反射ミラー8の重心を通る直線(前述の揺動軸線)上に配置され、第2のばね部12,13はその直線を中心として対称となるように配置されている。また、第2のばね部15,16もその直線を中心として対称となるように配置されている。
In the present embodiment, as described above, two
したがって、本実施形態によれば、第1のばね部9,10および第2のばね部12,13,15,16が上記のように構成されることにより、光走査のために反射ミラー8がねじり振動させられる場合に、振動体5に発生する応力をその全体に分散させて、例えば、第2のばね部12,13,15,16と固定枠部7との連結点に発生する応力を緩和することが容易となる。
Therefore, according to the present embodiment, the
よって、本実施形態によれば、ばね部9,10,12,13,15,16がそれ発生する応力に耐えるためにばね部9,10,12,13,15,16を徒に太くしたり長くしたりしなくても、反射ミラー8の共振周波数すなわち走査周波数を確保しながら十分に大きなねじり角すなわち走査角を得ることが容易となる。
Therefore, according to the present embodiment, in order for the
その結果、本実施形態によれば、光走査装置1ひいてはそれが搭載された画像形成装置100の小型化を図りつつ、走査周波数の増加と走査角の増加との両立を図ることが容易となる。
As a result, according to the present embodiment, it is easy to achieve both an increase in the scanning frequency and an increase in the scanning angle while reducing the size of the optical scanning device 1 and the
さらに、本実施形態によれば、ばね部9,10,12,13,15,16の大型化を抑制しつつ所期の目的を達成することが可能となるため、ばね部9,10,12,13,15,16の大型化に起因した不要振動モードの発生、すなわち、反射ミラー8にねじり振動モード以外の振動モードが発生することを回避することが容易となる。
Furthermore, according to the present embodiment, it is possible to achieve the intended purpose while suppressing an increase in the size of the
なお付言するに、本実施形態においては、振動体5における前述の第1および第2連結体がそれぞれ、1本の第1ばね部と、2本の第2のばね部とにより構成されるが、各第2のばね部は、本来の第2のばね部と、その本来の第2のばね部を第1のばね部に連結させる連結部とが一体的に形成されて構成されると考えることが可能である。 Note that in the present embodiment, in the present embodiment, the above-described first and second coupling bodies in the vibrating body 5 are each configured by one first spring portion and two second spring portions. Each second spring portion is considered to be configured by integrally forming an original second spring portion and a connecting portion for connecting the original second spring portion to the first spring portion. It is possible.
後者の観点を採用すれば、図3においては、例えば、第2のばね部12を構成するために互いに直交する第1および第2の直線部のうち、第1のばね部9に直角に連結される第1の直線部が、上述の連結部の一例を構成することになる。この第1の連結部は、第1のばね部9にも、第2のばね部12のうちの第2の直線部にも直角に連結されている。
If the latter viewpoint is adopted, in FIG. 3, for example, of the first and second linear portions orthogonal to each other to form the
さらに、本実施形態においては、いずれの第2のばね部12,13,15,16にも、各駆動源a,b,c,dが、第1の直線部に及ばない姿勢で装着されており、それにより、第1の直線部のねじり振動および曲げ振動が駆動源a,b,c,dによって阻害されることが回避されている。
Further, in the present embodiment, each of the driving sources a, b, c, and d is attached to any of the
図4に示すように、固定枠部7は、反射ミラー8に連結された第1のばね部9,10に接続された第2のばね部12,13,15,16を支持する機能と、振動体5をベース台2に固着する機能とを有するものである。具体的には、固定枠部7は、それの下面においてベース台2の支持部3に固着されている。
As shown in FIG. 4, the fixed
ここで、振動体5の製造方法を詳細に説明する。 Here, a method for manufacturing the vibrating body 5 will be described in detail.
上記のような構造を有する振動体5を製造するためには、例えば、シリコンウエハ上に固定枠部7、反射ミラー8、第1のばね部9,10および第2のばね部12,13,15,16から成る振動体5のパターンを形成し、これをエッチングすることにより、それらを一体形成する。その後、図5に示すように、反射ミラー8となるべき箇所の表面に、金、クロム、白金、アルミ等の材料により反射膜8aを形成すれば、振動体5が完成する。この製造方法によれば、同じ仕様の振動体5を複数同時に製造することができる。
In order to manufacture the vibrating body 5 having the above-described structure, for example, a fixed
次に、図3、図4、図6および図7を参照することにより、駆動源a,b,c,dの形成方法を詳細に説明する。図6は、振動体5を幅方向から見た部分側面図であり、図7は、振動体5を幅方向から見て部分的に示すとともに、代表的な駆動源dの構造を詳細に示す部分側面図である。 Next, a method of forming the driving sources a, b, c, and d will be described in detail with reference to FIGS. 3, 4, 6, and 7. FIG. FIG. 6 is a partial side view of the vibrating body 5 viewed from the width direction. FIG. 7 is a partial view of the vibrating body 5 viewed from the width direction, and shows a detailed structure of a typical driving source d. It is a partial side view.
図3および図4に示すように、駆動源a,b,c,dはそれぞれ、第2のばね部12,13,15,16上に直接に形成されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the driving sources a, b, c, and d are formed directly on the
駆動源a,b,c,dは、PZT、ZnO、BST等の圧電体を用いて構成されている。圧電体は、電気−機械変換効率の高い素子であることから、駆動源a,b,c,dに圧電体を用いると、低消費電力化が容易となる。よく知られているように、圧電体に交番電圧が所定周波数で印加されれば、圧電体は、その電圧周波数と同じ周波数で伸縮を繰り返し、その結果、振動する。 The driving sources a, b, c, and d are configured using a piezoelectric material such as PZT, ZnO, or BST. Since the piezoelectric body is an element having high electro-mechanical conversion efficiency, the use of piezoelectric bodies for the driving sources a, b, c, and d facilitates low power consumption. As is well known, when an alternating voltage is applied to a piezoelectric body at a predetermined frequency, the piezoelectric body repeatedly expands and contracts at the same frequency as the voltage frequency, and as a result, vibrates.
PZT、ZnO、BST等の圧電体を用いた駆動源a,b,c,dの形成には、CVD、スパッタリング、水熱合成、ゾルゲル、微粒子吹き付け等の薄膜形成法が用いられ、それにより、駆動源a,b,c,dがそれぞれ第2のばね部12,13,15,16上に直接に形成されている。
For forming the driving sources a, b, c, and d using a piezoelectric material such as PZT, ZnO, or BST, a thin film forming method such as CVD, sputtering, hydrothermal synthesis, sol-gel, or fine particle spraying is used. The drive sources a, b, c, d are formed directly on the
本実施形態においては、図3,図4,図6および図7に示すように、駆動源a,b,c,dがそれぞれ、対応する第2のばね部12,13,15,16の上面と固定枠部7の上面とに跨る(及ぶ)姿勢で振動体5に装着されている。具体的には、図6および図7に示すように、代表的な駆動源dが、第2のばね部13と固定枠部7とが互いに隣接する固定端部13aを通過する姿勢で、振動体5に装着されている。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 3, 4, 6, and 7, the driving sources a, b, c, and d respectively correspond to the upper surfaces of the corresponding
図3および図4に示すように、固定枠部7上には、駆動源aに駆動電圧を入力するための入力端子a1,a2と、駆動源bに駆動電圧を入力するための入力端子b1,b2と、駆動源cに駆動電圧を入力するための入力端子c1,c2と、駆動源dに駆動電圧を入力するための入力端子d1,d2とがそれぞれ金属薄膜により形成されている。
As shown in FIGS. 3 and 4, input terminals a1 and a2 for inputting a driving voltage to the driving source a and input terminals b1 and d1 for inputting the driving voltage to the driving source b are provided on the fixed
本実施形態においては、振動体5を形成する材料の脆弱性が高くてもそれを薄膜化すれば大変形が可能となるため、振動体5は、駆動源a,b,c,dの厚みと第2のばね部12,13,15,16の厚みを合計値が200μm以下になるように構成されている。
In the present embodiment, even if the material forming the vibrating body 5 has high brittleness, a large deformation is possible if the material is made thin, so that the vibrating body 5 has a thickness of the driving sources a, b, c, and d. And the thickness of the
ここで、駆動源a,b,c,dの構造を、駆動源dを例にとり、図7を参照して詳細に説明する。 Here, the structure of the driving sources a, b, c, and d will be described in detail with reference to FIG. 7 taking the driving source d as an example.
図7に示すように、駆動源dは、第2のばね部13から固定枠部7に延びるように形成されている。駆動源dは、それの厚さ方向において互いに対向する一対の電極d3,d4によって挟まれており、サンドイッチ構造が形成されている。図7においては、駆動源dの下側には下部電極d4が配置され、上側には上部電極d3が配置されている。
As shown in FIG. 7, the drive source d is formed to extend from the
図3、図4および図7に示すように、上部電極d3は、入力端子d2に接続され、図3および図4に示すように、下部電極d4は、入力端子d1に接続されている。 As shown in FIGS. 3, 4 and 7, the upper electrode d3 is connected to the input terminal d2, and as shown in FIGS. 3 and 4, the lower electrode d4 is connected to the input terminal d1.
なお付言するに、本実施形態においては、各駆動源a,b,c,dに一対の電極d3,d4が一体的に装着されているため、材料力学的観点からは、一対の電極d3,d4に各駆動源a,b,c,dがサンドイッチされて成る積層体を駆動源として認識してもよい。 In addition, in this embodiment, since a pair of electrodes d3 and d4 are integrally mounted on each of the driving sources a, b, c and d, from the viewpoint of material dynamics, a pair of electrodes d3 and d4 are provided. A stacked body in which the driving sources a, b, c, and d are sandwiched by d4 may be recognized as the driving source.
次に、第1のばね部9,10の剛性と、第2のばね部12,13,15,16の弾性変形部との剛性との関係を、第1のばね部9と第2のばね部13との組合せを例にとり、図5および図7を参照することにより、説明する。
Next, the relationship between the stiffness of the
本実施形態においては、各第2のばね部12,13,15,16の弾性変形部は、主に、各第2のばね部12,13,15,16と、それに固着された駆動源a,b,c,dとの組合体を意味している。また、剛性は、外力に対する変形の抵抗を意味しており、具体的には、第1のばね部9,10の剛性は、ねじり剛性を意味し、弾性変形部の剛性は、ねじり剛性と曲げ剛性との双方を意味する。
In the present embodiment, the elastically deformable portions of the
図7に示す例については、まず、第1のばね部9の断面2次モーメント(図7に示すA−A’断面における断面2次モーメント)と、第2のばね部13の断面2次モーメント(図7に示すB−B’断面における断面2次モーメント)とが互いに比較される。第1のばね部9と第2のばね部13とは、板厚寸法に関しては互いに共通する。しかし、図5に示すように、幅寸法に関しては、第1のばね部9の方が第2のばね部13より長い。
In the example shown in FIG. 7, first, the second moment of area of the first spring portion 9 (the second moment of area in the AA ′ section shown in FIG. 7) and the second moment of area of the second spring portion 13 (Second moment of area in section BB 'shown in FIG. 7) are compared with each other. The
一方、図10に示すように、板厚寸法hおよび幅寸法bを有する矩形断面のはり部材については一般に、板厚寸法hが一定である条件においては、幅寸法bが大きいほど、曲げ剛性もねじり剛性も増加し、外力に対する変形抵抗が増加する。このはり部材の曲げ剛性は、縦弾性係数Eと、断面2次モーメントIzとの積で表わされ、具体的には、 On the other hand, as shown in FIG. 10, for a beam member having a rectangular cross section having a plate thickness dimension h and a width dimension b, generally, under the condition that the plate thickness dimension h is constant, the larger the width dimension b, the higher the bending rigidity. The torsional rigidity also increases, and the deformation resistance to external force increases. The bending stiffness of this beam member is represented by the product of the longitudinal elastic modulus E and the second moment of area Iz.
Ebh3/12 Ebh 3/12
で表わされる。一方、ねじり剛性は、板厚寸法hが幅寸法bよりかなり小さい条件においては、横弾性係数をGで表わすと、近似的に、 Is represented by On the other hand, the torsional stiffness is approximately expressed as G when the transverse elastic modulus is represented by G under the condition that the thickness h is considerably smaller than the width b.
Gbh3/3 Gbh 3/3
で表わされる。図10において「dA」は、はり部材の中立軸(x軸と一致する)からyの距離にある微小面積要素を意味している。 Is represented by In FIG. 10, “dA” means a minute area element at a distance of y from the neutral axis (coincident with the x axis) of the beam member.
したがって、本実施形態においては、第2のばね部13の断面2次モーメントが第1のばね部9の断面2次モーメントより小さい。
Therefore, in this embodiment, the second moment of area of the
一方、そのような断面2次モーメントの関係は、本実施形態においては、第2のばね部13の幅寸法を第1のばね部9の幅寸法より短い寸法に選定したことに起因する。また、上述のように、矩形断面のはり部材においては、曲げ剛性の計算式にもねじり剛性の計算式にも「bh3」なる項が存在し、このことは、はり部材の幅寸法が短いほど、はり部材の曲げ剛性もねじり剛性も低下することを意味する。
On the other hand, such a relationship of the second moment of area is caused by selecting the width of the
したがって、本実施形態においては、第2のばね部13の方が第1のばね部9より弾性的にねじり変形し易い。第1のばね部9は基本的には曲げ変形させられないが、本実施形態においては、変形の種類の如何を問わず、第2のばね部13の方が第1のばね部9より弾性変形し易いといえる。
Therefore, in the present embodiment, the
さらに、本実施形態においては、第2のばね部13と駆動源dとの積層体すなわち弾性変形部の断面2次モーメントが第1のばね部9の断面2次モーメントより小さくなるように、第2のばね部13および駆動源dの断面形状および駆動源dの弾性係数が予め選定されている。
Further, in the present embodiment, the second moment of area of the laminated body of the
その結果、本実施形態においては、各弾性変形部(1本の第2のばね部と、それに対応する駆動源との積層体)の曲げ変形およびねじり変形が、第1のばね部9のねじり変形より発生し易いようになっている。
As a result, in the present embodiment, the bending deformation and the torsional deformation of each elastically deforming portion (a laminate of one second spring portion and the corresponding driving source) are caused by the torsion of the
一方、本実施形態においては、反射ミラー8の揺動角すなわち走査角が、第1のばね9のねじり変形量と、弾性変形部のねじり変形量および曲げ変形量とが合成されたものである。
On the other hand, in the present embodiment, the swing angle, that is, the scan angle of the
したがって、本実施形態によれば、そのように変形し易い弾性変形部が第1のばね部9と組み合わせて使用されることにより、弾性変形部が存在しない場合に比較し、反射ミラー8の走査角を増加させることが容易となる。
Therefore, according to the present embodiment, the elastically deformable portion that is easily deformed is used in combination with the
さらに、本実施形態によれば、第1のばね部9が、それより変形し易い弾性変形部を介して固定枠部7に連結されるため、反射ミラー8の揺動時に第1のばね部9に発生する応力を軽減することも容易となる。
Further, according to the present embodiment, the
次に、上記のように構成された光走査装置1の作動を、図1,図2,図3および図8を参照して説明する。図8は、振動体5を共振状態で示す斜視図である。 Next, the operation of the optical scanning device 1 configured as described above will be described with reference to FIG. 1, FIG. 2, FIG. 3, and FIG. FIG. 8 is a perspective view showing the vibrating body 5 in a resonance state.
図1に示す映像信号供給回路104から水平同期信号119が光走査装置1に供給され、その供給された水平同期信号119は、図2に示す水平走査駆動回路121の発振器121aに入力され、その発振器121aにより、水平同期信号119に基づいて正弦波が生成される。その生成された正弦波は、位相反転回路121bおよび位相シフタ121cにそれぞれ入力される。
A
その正弦波が位相シフタ121cに入力されると、その位相シフタ121cにおいては、画像信号と反射ミラー8との位相を調整するための信号が生成され、その生成された信号に基づき、アンプ121eとの共同作用により、駆動電圧が入力端子a1,a2を介して、第2のばね部12に形成された駆動源aに供給される。さらに、その駆動電圧と位相が同じ駆動電圧が入力端子b1,b2を介して、第2のばね部15に形成された駆動源bに供給される。
When the sine wave is input to the
これに対し、上記正弦波が位相反転回路121bに入力されると、その位相判定回路121bにおいては、その入力された正弦波の位相が反転され、そのようにして生成された正弦波が位相シフタ121dに供給される。その位相シフタ121dにおいては、画像信号と反射ミラー8との位相を調整するための信号が生成され、その生成された信号に基づき、アンプ121fとの共同作用により、駆動電圧が入力端子d1,d2を介して、第2のばね部13に形成された駆動源dに供給される。さらに、その駆動電圧と位相が同じ駆動電圧が入力端子c1,c2を介して、第2のばね部16に形成された駆動源cに供給される。
On the other hand, when the sine wave is input to the phase inversion circuit 121b, the phase of the input sine wave is inverted in the phase determination circuit 121b, and the sine wave generated in this manner is shifted by the phase shifter. 121d. In the
したがって、各第2のばね部12,15の片面に貼り付けられた各駆動源a,bが伸長すると、第2のばね部12,15が図3において下向きに撓む。それと同時に、各第2のばね部13,16の片面に貼り付けられた各駆動源c,dが伸長すると、第2のばね部13,16が図3において上向きに撓むことになる。
Therefore, when each of the driving sources a and b attached to one surface of each of the
さらに、駆動源a,bが上向きに撓むと、第2のばね部12,15も上向きに撓み、それと同時に、駆動源c,dが下向きに撓むと、第2のばね部13,16も下向きに撓むことになる。
Further, when the drive sources a and b are bent upward, the
このように、本実施形態においては、水平走査駆動回路121が、図1に示す映像信号供給回路104から供給される水平同期信号119に基づき、駆動源a,bおよび駆動源c,dにそれぞれ印加される駆動電圧を、反射ミラー8の共振周波数と同じ周波数で互いに逆位相で振動させる。
As described above, in the present embodiment, the horizontal
それにより、振動体5において第2のばね部12,15および13,16が互いに逆向きに曲がるように撓み、それに伴い、振動体5が共振周波数で共振する。この共振により、第1のばね部9,10に支持された反射ミラー8が、図8に示す中立位置(静止位置)Sと共振時の最大揺動位置(最大変位位置)Kとの間で振動を繰り返し、その結果、反射ミラー8に入射して反射するレーザ光が水平方向に走査される。
As a result, the
図1に示すように、反射ミラー8によって水平走査されたレーザ光は、リレー光学系126を経由して、垂直走査系102の反射ミラー部125に導かれる。その反射ミラー部125に入射したレーザ光は、垂直走査系102によって垂直方向に走査される。垂直走査されたレーザ光は、リレー光学系127によりビーム形状がビーム整形されて、観察者の瞳孔に入射され、やがて網膜上に直接に画像が投影される。
As shown in FIG. 1, the laser light horizontally scanned by the
以上説明したように、本実施形態においては、駆動源aが形成された第2のばね部12と、駆動源dが形成された第2のばね部13との断面2次モーメントがそれぞれ、第1のばね部9の断面2次モーメントより小さくなるように振動体5が構成されている。さらに、駆動源bが形成された第2のばね部15と、駆動源cが形成された第2のばね部16との断面2次モーメントが、第1のばね部10の断面2次モーメントより小さくなるように振動体5が形成されている。
As described above, in the present embodiment, the second moment of area of the
したがって、本実施形態によれば、駆動源a,b,c,dおよび第2のばね部12,13,15,16が相対的に変形し易くなり、その変形が最終的には反射ミラー8のねじりすなわち揺動に反映されるため、反射ミラー8の走査角(振れ角)を増加させることが容易となる。
Therefore, according to the present embodiment, the driving sources a, b, c, and d and the
さらに、本実施形態においては、駆動源a,b,c,dが第2のばね部12,13,15,16上に直接、薄膜形成法により形成されている。したがって、本実施形態によれば、各駆動源a,b,c,dと各第2のばね部12,13,15,16との間に、合成樹脂等から成る接着剤層を介在させずに済む。よって、本実施形態によれば、各駆動源a,b,c,dと各第2のばね部12,13,15,16との接合状態が安定し、振動体5の振動も安定する。
Further, in the present embodiment, the driving sources a, b, c, d are formed directly on the
さらに、本実施形態においては、駆動源a,b,c,dの振動を拡大する機構が振動体5に採用されるため、反射ミラー8を所定の走査周波数および走査角のもとに振動させるのに必要な消費電力を節約することが容易となる。
Further, in the present embodiment, since a mechanism for expanding the vibration of the driving sources a, b, c, and d is employed in the vibrating body 5, the reflecting
さらに、本実施形態においては、各第2のばね部12,13,15,16に直接に各駆動源a,b,c,dが装着されており、弾性変形部と加振源とが互いに位置的に一致させられている。したがって、本実施形態によれば、各駆動源a,b,c,dの振動を効率よく振動体5に伝達することが容易となり、消費電力の節約が容易となるとともに、光走査装置1の小型化が容易となる。
Further, in the present embodiment, each of the driving sources a, b, c, and d is directly mounted on each of the
さらに、本実施形態においては、図6に示すように、各駆動源a,b,c,dが、各第2のばね部12,13,15,16から固定枠部7に延びる姿勢で振動体5に形成されている。よって、本実施形態によれば、振動体5の振動の節が固定端部13aに安定的に位置することとなり、振動体5の振動状態が理想的な共振状態で安定する。
Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 6, each of the driving sources a, b, c, and d vibrates in a posture extending from each of the
したがって、本実施形態によれば、図9に示すように、各駆動源a,b,c,dが、各第2のばね部12,13,15,16上のみに形成され、固定枠部7には及ばないように形成される場合と比較し、振動体5の振動状態を安定化させることが容易となる。
Therefore, according to the present embodiment, as shown in FIG. 9, each of the driving sources a, b, c, and d is formed only on each of the
次に、本発明の第2実施形態を説明する。ただし、本実施形態は、第1実施形態と共通する要素が多いため、共通する要素については、同一の符号または名称を使用して引用することにより、詳細な説明を省略し、異なる要素についてのみ、詳細に説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. However, since this embodiment has many elements common to the first embodiment, the common elements will be referred to using the same reference numerals or names, and detailed description will be omitted. Only different elements will be described. , Will be described in detail.
図11に示すように、本実施形態に従う光走査装置200は、第1実施形態に従う光走査装置1と構成が共通する要素として、ベース台2と振動体5とを備えており、ベース台2には、第1実施形態と同様に、図12に示すように、支持部3が形成されている。本実施形態においては、図11に示すように、振動体5が、第1実施形態と同様に、固定枠部7と、反射ミラー8と、第1のばね部9,10と、第2のばね部12,13,15,16とを備えている。
As shown in FIG. 11, an
第1実施形態においては、図3に示すように、駆動源a,b,c,dの振動が直接に振動体5に伝達されるようになっている。すなわち、振動体5が駆動源a,b,c,dによって直接に加振されるようになっているのである。 In the first embodiment, as shown in FIG. 3, the vibrations of the driving sources a, b, c, and d are transmitted directly to the vibrating body 5. That is, the vibrating body 5 is directly vibrated by the driving sources a, b, c, and d.
これに対し、本実施形態に従う光走査装置200においては、図11に示すように、振動体5が駆動源e,fによって間接に加振されるようになっている。すなわち、光走査装置200が全体的に加振されるようになっているのである。
On the other hand, in the
図11に示すように、本実施形態においては、ベース台2の下面に駆動源e,fが接着により固定されている。それら2個の駆動源e,fは、ベース台2の幅方向(ベース台2の長手方向と直角な方向)において互いに対向する2個の対向位置にそれぞれ配置されている。
As shown in FIG. 11, in this embodiment, drive sources e and f are fixed to the lower surface of the
それら駆動源e,fは、共に、積層型の圧電アクチュエータとして構成されている。積層型の圧電アクチュエータは、ベース台2の長手方向に延びるPZT、ZnO、BST等の圧電体が複数枚、各板面と直角な方向に積層されて構成されている。圧電体は、電気−機械変換効率の高い素子であることから、駆動源e,fに圧電体を用いると、低消費電力化が容易となる。
The drive sources e and f are both configured as a laminated piezoelectric actuator. The laminated piezoelectric actuator is configured by laminating a plurality of piezoelectric bodies, such as PZT, ZnO, and BST, extending in the longitudinal direction of the
図12に示すように、駆動源eは、上側の電極e1と、下側の電極e2とによってサンドイッチ状に挟まれている。同様にして、駆動源fは、上側の電極f1と、下側の電極f2とによってサンドイッチ状に挟まれている。 As shown in FIG. 12, the drive source e is sandwiched between an upper electrode e1 and a lower electrode e2. Similarly, the driving source f is sandwiched between the upper electrode f1 and the lower electrode f2.
駆動源eは、電極e1および電極e2間に印加する駆動電圧の極性を所定の周波数で変化させることにより、伸び縮みして振動する。同様にして、駆動源fは、電極f1および電極f2間に印加する駆動電圧の極性を所定の周波数で変化させることにより、伸び縮みして振動する。したがって、駆動源eおよび駆動源fに互いに逆位相で駆動電圧を印加すれば、それら駆動源eおよび駆動源fが互いに逆位相で振動し、それにより、ベース台2を介して振動体5を、第1実施形態と同様にして振動させることができる。
The drive source e expands and contracts and vibrates by changing the polarity of the drive voltage applied between the electrode e1 and the electrode e2 at a predetermined frequency. Similarly, the drive source f expands and contracts and vibrates by changing the polarity of the drive voltage applied between the electrode f1 and the electrode f2 at a predetermined frequency. Therefore, if drive voltages are applied to the drive source e and the drive source f in opposite phases, the drive source e and the drive source f vibrate in opposite phases, thereby causing the vibrating body 5 to move through the
図11に示すように、ベース台2には、第1実施形態と基本的に共通するように、ベース台2の上面に開口する凹部が形成されているが、本実施形態においては、それが階段状に形成されている。具体的には、ベース台2の長手方向中央部には、深い底面を有する凹部2bが形成され、それを挟む2個の位置にそれぞれ、浅い底面を有する凹部2cが形成されている。
As shown in FIG. 11, the
図13には、本実施形態における水平走査駆動回路121がブロック図で示されている。この水平走査駆動回路121は、第1実施形態と基本的な電気回路が共通しており、第1実施形態との相違点は、アンプ121eが1個の駆動源eに接続されるとともに、アンプ121fが1個の駆動源fに接続される点である。
FIG. 13 is a block diagram showing the horizontal
このように構成された水平走査駆動回路121によれば、駆動源eおよびfにそれぞれ駆動電圧が互いに逆位相で印加され、それにより、それら駆動源eおよび駆動源fが互いに逆位相で振動させられる。その結果、第1のばね部9,10、第2のばね部12,13,15,16および反射ミラー8によって構成される振動体5に、それのねじり振動モードの共振周波数に一致する周波数の振動が加えられる。それにより、振動体5が共振して、反射ミラー8が共振周波数かつ大きな揺動角のもとにねじり振動を誘起される。
According to the horizontal
本発明者らは、以上説明した第1および第2実施形態に共通の振動体5につき、その振動体5の幾何学的特徴である形状寸法と振動特性との関係を解析すべく、コンピュータによるシミュレーションによって数値解析を行った。その数値解析は、有限要素法によるものである。 With respect to the vibrating body 5 common to the first and second embodiments described above, the present inventors use a computer to analyze the relationship between the shape and dimension, which are geometrical features of the vibrating body 5, and vibration characteristics. Numerical analysis was performed by simulation. The numerical analysis is based on the finite element method.
図14には、その数値解析のために使用された振動体5の解析モデルが簡略的に示されている。解析モデルは、振動体5を複数の有限要素に分割することによって構成されている。 FIG. 14 schematically shows an analysis model of the vibrating body 5 used for the numerical analysis. The analysis model is configured by dividing the vibration body 5 into a plurality of finite elements.
図14に示すように、この解析モデルにおいては、反射ミラー8の幅寸法が「L1」で表記される一方、一対の第2のばね部12,13と、別の一対の第2のばね部15,16とのそれぞれにつき、分岐間隔が「L2」で表記されている。ここに、「分岐間隔L2」は、一対の第2のばね部12,13を例にとって説明すれば、それら第2のばね部12,13の外縁同士の間隔を意味する。分岐間隔L2は、各連結部17,18の長さと一致する。
As shown in FIG. 14, in this analysis model, the width dimension of the
なお付言するに、図14に示す解析モデルにおいては、2本の第2のばね部12,13のうち第1のばね部9と連結する部分が、それら2本の第2のばね部12,13から名称的に独立して連結部17と称される。同様にして、2本の第2のばね部15,16のうち第1のばね部10と連結する部分が、それら2本の第2のばね部15,16から名称的に独立して連結部18と称される。
In addition, in the analysis model shown in FIG. 14, a portion of the two
振動体5の振動特性を解析するために上述の解析モデルを用いて第1の数値解析と第2の数値解析と第3の数値解析とが行われた。3種類の数値解析が行われたのであり、それら3種類の数値解析に共通する解析条件は以下のとおりである。 The first numerical analysis, the second numerical analysis, and the third numerical analysis were performed using the above-described analysis model to analyze the vibration characteristics of the vibrating body 5. Three types of numerical analysis were performed, and the analysis conditions common to the three types of numerical analysis are as follows.
1.反射ミラー8(正方形)の寸法
厚さ:100μm
長さ:1mm
幅:1mm
1. Dimensions of reflection mirror 8 (square) Thickness: 100 μm
Length: 1mm
Width: 1mm
2.第1のばね部9,10(長方形)の寸法
厚さ:100μm
長さ:0.5mm
幅:60μm
2. Dimensions of
Length: 0.5mm
Width: 60 μm
3.第2のばね部12,13,15,16(長方形)の寸法
厚さ:100μm
長さ:1.5mm
幅:40μm
3. Dimensions of
Length: 1.5mm
Width: 40 μm
4.連結部17,18(長方形)の寸法
厚さ:100μm
幅:40μm
4. Dimensions of connecting
Width: 40 μm
したがって、それら3種類の数値解析を通じて、反射ミラー8の幅L1は、1mmに維持された。
Therefore, through these three types of numerical analysis, the width L1 of the
一方、それら3種類の数値解析は、3種類の分岐間隔L2のもとに行われた。具体的には、第1の数値解析は、連結部17,18の長さが0.6mmであって、分岐間隔L2も0.6mmである条件のもとに行われた。この数値解析は、結局、反射ミラー8の幅L1を超えない分岐間隔L2のもとに行われたことになる。具体的には、この数値解析は、反射ミラー8の幅L1より小さい(例えば、50ないし70パーセントの範囲内、40ないし80パーセントの範囲内あるいは30ないし90パーセントの範囲内にある)分岐間隔L2のもとに行われたことになる。
On the other hand, these three types of numerical analysis were performed under three types of branch intervals L2. Specifically, the first numerical analysis was performed under the condition that the lengths of the connecting
これに対し、第2および第3の数値解析は、共に、分岐間隔L2が幅L1を超える条件のもとに実施された。具体的には、第2の数値解析は、分岐間隔L2が1.1mmである条件のもとに実施され、一方、第3の数値解析は、分岐間隔L3が2mmである条件のもとに実施された。 On the other hand, the second and third numerical analyzes were both performed under the condition that the branch interval L2 exceeds the width L1. Specifically, the second numerical analysis is performed under the condition that the branch interval L2 is 1.1 mm, while the third numerical analysis is performed under the condition that the branch interval L3 is 2 mm. It was implemented.
図15には、図14に示す振動体5の解析モデル(以下、単に「振動体5」ともいう。)が静止状態で示されている。第1の数値解析は、振動体5を4種類の振動モードで模擬的に振動させるべく実施された。それら4種類の振動モードは、振動体5を振動させる振動周波数に関して下記のように異なっている。 FIG. 15 shows the analysis model (hereinafter, simply referred to as “vibrator 5”) of the vibrator 5 shown in FIG. 14 in a stationary state. The first numerical analysis was performed to simulate the vibrating body 5 in four different vibration modes. The four types of vibration modes are different as follows with respect to the vibration frequency at which the vibrating body 5 vibrates.
振動モード1:10.6kHz
振動モード2:15.1kHz
振動モード3:21.8kHz
振動モード4:25.2kHz
Vibration mode 1: 10.6kHz
Vibration mode 2: 15.1 kHz
Vibration mode 3: 21.8 kHz
Vibration mode 4: 25.2 kHz
以下、図16ないし図23を参照することにより、第1の数値解析の結果を説明する。 Hereinafter, the results of the first numerical analysis will be described with reference to FIGS.
それに先立ち、図16ないし図23の内容を簡単に説明する。 Prior to that, the contents of FIGS. 16 to 23 will be briefly described.
図16ないし図19は、各振動モードの解析結果を単独で示す図である。具体的には、図16は、振動モード1の解析結果を示す図であり、図17は、振動モード2の解析結果を示す図であり、図18は、振動モード3の解析結果を示す図であり、図19は、振動モード4の解析結果を示す図である。
16 to 19 are diagrams each independently showing the analysis result of each vibration mode. Specifically, FIG. 16 is a diagram showing an analysis result of vibration mode 1, FIG. 17 is a diagram showing an analysis result of
図20ないし図23は、各振動モードの解析結果であって図16ないし図19にそれぞれ示されているものを、図15に示されている静止状態にある振動体5と対比するために便宜上重ね合わせて示す図である。具体的には、図20は、振動モード1の解析結果を静止状態にある振動体5と対比して示す図であり、図21は、振動モード2の解析結果を静止状態にある振動体5と対比して示す図であり、図22は、振動モード3の解析結果を静止状態にある振動体5と対比して示す図であり、図23は、振動モード4の解析結果を静止状態にある振動体5と対比して示す図である。
FIGS. 20 to 23 show the analysis results of the respective vibration modes, which are shown in FIGS. 16 to 19, respectively, for convenience of comparison with the vibrating body 5 in the stationary state shown in FIG. FIG. Specifically, FIG. 20 is a diagram showing the analysis result of the vibration mode 1 in comparison with the vibration body 5 in the stationary state, and FIG. 21 is a diagram showing the analysis result of the
図16および図20に示すように、振動モード1、すなわち、10.6kHzで振動体5を振動させた場合には、反射ミラー8が反射面8aに平行な方向に振動(面内振動)して共振する状態となる。
As shown in FIGS. 16 and 20, when the vibrating body 5 is vibrated at the vibration mode 1, that is, at 10.6 kHz, the reflecting
また、図17および図21に示すように、振動モード2、すなわち、15.1kHzで振動体5を振動させた場合には、反射ミラー8が反射面8aに垂直な方向に振動(面外振動)して共振する状態となる。
Further, as shown in FIGS. 17 and 21, when the vibrating body 5 is vibrated at the
また、図18および図21に示すように、振動モード3、すなわち、21.8kHzで振動体5を振動させた場合には、反射ミラー8が第1のばね部8,9の軸線まわりに回動してねじれ共振する状態となる。
Also, as shown in FIGS. 18 and 21, when the vibrating body 5 is vibrated at the vibration mode 3, that is, at 21.8 kHz, the
また、図19および図23に示すように、振動モード4、すなわち、25.2kHzで振動体5を振動させた場合には、反射ミラー8が反射面8aの中心点を回転中心として、反射ミラー8が反射面8aに沿って往復回転して共振する状態となる。
As shown in FIGS. 19 and 23, when the vibrating body 5 is vibrated at the vibration mode 4, that is, at 25.2 kHz, the reflecting
第1の数値解析結果によれば、それら振動モード1ないし4のうち振動モード3が、光の走査に好適に使用できる振動モードである。 According to the first numerical analysis result, the vibration mode 3 among the vibration modes 1 to 4 is a vibration mode that can be suitably used for light scanning.
図24には、第2の数値解析が実施された解析条件が示されている。この第2の数値解析においては、振動体5の連結部17,18の長さが1.1mmというように、第1の数値解析の場合より長くされている。したがって、分岐間隔L2も、1.1mmとなり、反射ミラー8の幅寸法L1である1mmより、僅かではあるが長くなっている。
FIG. 24 illustrates analysis conditions under which the second numerical analysis is performed. In the second numerical analysis, the length of the connecting
図25には、図24に示す振動体5が静止状態で示されている。第2の数値解析は、振動体5を4種類の振動モードで模擬的に振動させるために実施された。それら4種類の振動モードは、振動体5を振動させる振動周波数に関して下記のように異なっている。 FIG. 25 shows the vibrating body 5 shown in FIG. 24 in a stationary state. The second numerical analysis was performed to simulate the vibrating body 5 in four different vibration modes. The four types of vibration modes are different as follows with respect to the vibration frequency at which the vibrating body 5 vibrates.
振動モード1:10.0kHz
振動モード2:14.2kHz
振動モード3:22.0kHz
振動モード4:25.5kHz
Vibration mode 1: 10.0kHz
Vibration mode 2: 14.2 kHz
Vibration mode 3: 22.0 kHz
Vibration mode 4: 25.5 kHz
以下、図26ないし図33を参照することにより、第2の数値解析の結果を説明する。 Hereinafter, the results of the second numerical analysis will be described with reference to FIGS.
それに先立ち、図26ないし図33の内容を簡単に説明する。 Prior to that, the contents of FIGS. 26 to 33 will be briefly described.
図26ないし図29は、各振動モードの解析結果を単独で示す図である。具体的には、図26は、振動モード1の解析結果を示す図であり、図27は、振動モード2の解析結果を示す図であり、図28は、振動モード3の解析結果を示す図であり、図29は、振動モード4の解析結果を示す図である。
26 to 29 are diagrams each independently showing the analysis result of each vibration mode. Specifically, FIG. 26 is a diagram showing an analysis result of vibration mode 1, FIG. 27 is a diagram showing an analysis result of
図30ないし図33は、各振動モードの解析結果であって図26ないし図29にそれぞれ示されているものを、図25に示されている静止状態にある振動体5と対比するために便宜上重ね合わせて示す図である。具体的には、図30は、振動モード1の解析結果を静止状態にある振動体5と対比して示す図であり、図31は、振動モード2の解析結果を静止状態にある振動体5と対比して示す図であり、図32は、振動モード3の解析結果を静止状態にある振動体5と対比して示す図であり、図33は、振動モード4の解析結果を静止状態にある振動体5と対比して示す図である。
FIGS. 30 to 33 show the analysis results of the respective vibration modes, which are shown in FIGS. 26 to 29, respectively, for the sake of convenience in comparing with the vibrating body 5 in the stationary state shown in FIG. FIG. More specifically, FIG. 30 is a diagram showing the analysis result of vibration mode 1 in comparison with vibration body 5 in a stationary state, and FIG. 31 is a diagram showing the analysis result of
図26および図30に示すように、振動モード1、すなわち、10.0kHzで振動体5を振動させた場合には、反射ミラー8が反射面8aに平行な方向に振動(面内振動)して共振する状態となる。
As shown in FIGS. 26 and 30, when the vibrating body 5 is vibrated at the vibration mode 1, that is, at 10.0 kHz, the
また、図27および図31に示すように、振動モード2、すなわち、14.2kHzで振動体5を振動させた場合には、反射ミラー8が反射面8aに垂直な方向に振動(面外振動)して共振する状態となる。
Further, as shown in FIGS. 27 and 31, when the vibrating body 5 is vibrated at the
また、図28および図32に示すように、振動モード3、すなわち、22.0kHzで振動体5を振動させた場合には、反射ミラー8が反射面8aの中心点を回転中心として、反射ミラー8が反射面8aに沿って往復回転して共振する状態となる。
Further, as shown in FIGS. 28 and 32, when the vibrating body 5 is vibrated at the vibration mode 3, that is, at 22.0 kHz, the reflecting
また、図29および図33に示すように、振動モード4、すなわち、25.5kHzで振動体5を振動させた場合には、反射ミラー8が第1のばね部8,9の軸線まわりに回動してねじれ共振する状態となる。
As shown in FIGS. 29 and 33, when the vibrating body 5 is vibrated at the vibration mode 4, that is, at 25.5 kHz, the
第2の数値解析結果によれば、それら振動モード1ないし4のうち振動モード4が、光の走査に好適に使用できる振動モードである。 According to the second numerical analysis result, the vibration mode 4 among the vibration modes 1 to 4 is a vibration mode that can be suitably used for light scanning.
次に、図34を参照しつつ、振動体5の近似モデルを用いることにより、振動体5の1次ないし3次の振動モードを説明する。 Next, primary to tertiary vibration modes of the vibrating body 5 will be described by using an approximate model of the vibrating body 5 with reference to FIG.
図34の上部には、振動体5の近似モデルが示されている。この近似モデルにおいては、反射ミラー8の質量が「M1」、第1のばね部が「無質量」、連結部17,18の質量がそれぞれ「M2」、第2のばね部が「無質量」とされるとともに、2本の第2のばね部が便宜上結合されて1本の第2のばね部とされている。
In the upper part of FIG. 34, an approximate model of the vibrating body 5 is shown. In this approximate model, the mass of the
振動体5をこの近似モデルに近似すると、ばね部の質量を無視すれば、振動体5は、水平方向あるいは鉛直方向に関しては、それぞれ3自由度の振動系に相当する。 When the vibrating body 5 is approximated to this approximation model, the vibrating body 5 corresponds to a vibration system having three degrees of freedom in the horizontal direction or the vertical direction, if the mass of the spring portion is ignored.
光走査を安定して行うには、振動体5の高次(2次以上)の振動モードが、ねじり振動の固有振動数より低い周波数領域において発生しないようにすることが望ましい。図34には、上部においては近似モデルが静止状態で示され、その下部においては3種類の振動モードがその近似モデルを用いて示されている。それら3種類の振動モードのうち、上段のものが1次モードであり、中段のものが2次モードであり、下段のものが3次モードである。 In order to stably perform optical scanning, it is desirable that a higher-order (secondary or higher) vibration mode of the vibrator 5 is not generated in a frequency region lower than the natural frequency of torsional vibration. In FIG. 34, the approximate model is shown in a stationary state in the upper part, and three kinds of vibration modes are shown using the approximate model in the lower part. Of these three types of vibration modes, the upper one is the primary mode, the middle one is the secondary mode, and the lower one is the tertiary mode.
図16ないし図33を参照して説明した数値解析結果から明らかなように、振動体5について固有振動数のモード解析を行うと、垂直並進振動モード(面外振動モード)あるいは水平並進振動モード(面内振動モード)の1次固有振動が低周波数領域で発生する。 As is clear from the numerical analysis results described with reference to FIGS. 16 to 33, when the mode analysis of the natural frequency of the vibrating body 5 is performed, the vertical translational vibration mode (out-of-plane vibration mode) or the horizontal translational vibration mode ( The primary natural vibration (in-plane vibration mode) occurs in a low frequency region.
図14に示す振動体5に発生する4種類の振動モードをそれぞれ、図34に示す3種類の振動モードのいずれかに関連付けると、図16に示す振動モード1(水平並進振動モード)が図34に示す1次モードに該当し、図19に示す振動モード4(回転振動モード)が図34に示す2次モードに該当する。 When each of the four types of vibration modes generated in the vibrating body 5 shown in FIG. 14 is associated with one of the three types of vibration modes shown in FIG. 34, the vibration mode 1 (horizontal translation vibration mode) shown in FIG. And the vibration mode 4 (rotational vibration mode) shown in FIG. 19 corresponds to the secondary mode shown in FIG.
今回の数値解析が実施された周波数より高い周波数について別の数値解析を実施すれば、3次モードあるいはそれより高次のモードについてまで振動体5を解析できる。 If another numerical analysis is performed at a frequency higher than the frequency at which the current numerical analysis was performed, the vibrating body 5 can be analyzed up to the third-order mode or a higher-order mode.
図34に示す近似モデルにおいて、M1の質量とばね部の剛性が一定であると仮定すると、高次のモードの周波数は、M2の質量に依存することになる。M2の質量増加は、図34に示す例においては、1次モードの振動周波数の低下を招き、それに加えて、2次モードの振動周波数の低下も招く。そのため、M2の質量増加は、高次モードの振動周波数が光走査に必要なねじり固有振動数に接近する要因になっていた。 In the approximation model shown in FIG. 34, assuming that the mass of M1 and the rigidity of the spring portion are constant, the frequency of the higher-order mode depends on the mass of M2. In the example shown in FIG. 34, the increase in the mass of M2 causes a decrease in the vibration frequency of the primary mode, and also causes a decrease in the vibration frequency of the secondary mode. Therefore, the increase in the mass of M2 has caused the vibration frequency of the higher-order mode to approach the torsional natural frequency required for optical scanning.
これに対し、図14に示す振動体5、すなわち、第1および第2実施形態において使用される振動体5においては、連結部17,18の長さ、すなわち、第2のばね部12,13および第2のばね部15,16の分岐間隔L2が反射ミラー8の幅L1より短くされることにより、連結部17,18の質量M2が減少させられている。
On the other hand, in the vibrating body 5 shown in FIG. 14, that is, in the vibrating body 5 used in the first and second embodiments, the length of the connecting
したがって、図14に示す振動体5においては、反射ミラー8の揺動速度の高速化を図るにもかかわらず、振動方向が反射ミラー8に対して水平な方向および垂直な方向である1次モード以外の振動モードの発生が抑制され、その結果、振動体5のねじり振動が安定化し、光走査も安定化させられる。ここに、振動方向が反射ミラー8に対して水平な方向および垂直な方向である1次モードの発生を許容するのは、このモードは、光走査に必要な振動モードではないが、走査光の向きを予定外に変化させてその直進性を阻害してしまう振動モードではないからである。
Therefore, in the vibrating member 5 shown in FIG. 14, the primary mode in which the vibration direction is the horizontal direction and the vertical direction with respect to the reflecting
第1および第2実施形態においては、図18に示す振動モード3が光走査装置1,200に好適な振動(共振)モードであり、このモードの固有振動数は21.8kHzであった。これより低い周波数においては、図16に示す振動モード1は反射ミラー8の反射面8aに対して水平な方向(面内方向)、図17に示す振動モード2は反射面8aに対して垂直な方向(面外方向)を振動方向とするモードであり、振動方向が垂直および水平である1次モードしか発生しない。
In the first and second embodiments, the vibration mode 3 shown in FIG. 18 is a vibration (resonance) mode suitable for the
したがって、第1および第2実施形態によれば、振動体5のねじり振動が安定化し、光走査装置1,200による光走査も安定化する。
Therefore, according to the first and second embodiments, the torsional vibration of the vibrating body 5 is stabilized, and the optical scanning by the
これに対し、図24に比較例として示すように、連結部17,18の長さすなわち分岐間隔L2を1.1mmにして幅L1より長くした場合には、必要な振動モード、すなわち、図29および図33に示すねじり振動モード4の共振周波数25.5kHzより低い周波数である22.0kHzで、図28および図32に示すように、振動モード3(回転振動モード)に振動モード1(面内振動モード)の2次モードが重畳させられた振動が振動体5に発生している。そのため、振動体5のねじり振動が安定せず、光走査装置1,200による光走査も安定しない。
On the other hand, as shown in FIG. 24 as a comparative example, when the length of the connecting
図35には、第3の数値解析が実施された解析条件が示されている。この第3の数値解析においては、振動体5の連結部17,18の長さが2mmというように、第1および第2の数値解析の場合より長くされている。したがって、分岐間隔L2も、2mmとなり、反射ミラー8の幅L1である1mmの2倍の長さとなっている。
FIG. 35 shows the analysis conditions under which the third numerical analysis was performed. In the third numerical analysis, the length of the connecting
図36には、図35に示す振動体5が静止状態で示されている。第3の数値解析は、振動体5を8種類の振動モードで模擬的に振動させるために実施された。それら8種類の振動モードは、振動体5を振動させる振動周波数に関して下記のように異なっている。 FIG. 36 shows the vibrating body 5 shown in FIG. 35 in a stationary state. The third numerical analysis was performed to simulate the vibrating body 5 in eight different vibration modes. The eight types of vibration modes are different as follows with respect to the vibration frequency at which the vibrating body 5 is vibrated.
振動モード1: 9.0kHz
振動モード2:12.1kHz
振動モード3:15.4kHz
振動モード4:17.6kHz
振動モード5:29.1kHz
振動モード6:32.1kHz
振動モード7:60.4kHz
振動モード8:64.2kHz
Vibration mode 1: 9.0kHz
Vibration mode 2: 12.1 kHz
Vibration mode 3: 15.4kHz
Vibration mode 4: 17.6 kHz
Vibration mode 5: 29.1 kHz
Vibration mode 6: 32.1kHz
Vibration mode 7: 60.4 kHz
Vibration mode 8: 64.2 kHz
以下、図37ないし図48を参照することにより、第3の数値解析の結果を説明する。 Hereinafter, the result of the third numerical analysis will be described with reference to FIGS.
それに先立ち、図37ないし図48の内容を簡単に説明する。 Prior to that, the contents of FIGS. 37 to 48 will be briefly described.
図37ないし図40は、各振動モードの解析結果を単独で示す図である。具体的には、図37は、振動モード1の解析結果を示す図であり、図38は、振動モード2の解析結果を示す図であり、図39は、振動モード3の解析結果を示す図であり、図40は、振動モード4の解析結果を示す図である。
FIGS. 37 to 40 are diagrams each independently showing the analysis result of each vibration mode. Specifically, FIG. 37 is a diagram showing an analysis result of the vibration mode 1, FIG. 38 is a diagram showing an analysis result of the
図41ないし図45は、各振動モードの解析結果であって図37ないし図40にそれぞれ示されているものを、図36に示されている静止状態にある振動体5と対比するために便宜上重ね合わせて示す図である。具体的には、図41は、振動モード1の解析結果を静止状態にある振動体5と対比して示す図であり、図42は、振動モード2の解析結果を静止状態にある振動体5と対比して示す図であり、図43は、振動モード3の解析結果を静止状態にある振動体5と対比して示す図であり、図44は、振動モード4の解析結果を静止状態にある振動体5と対比して示す図である。
FIGS. 41 to 45 are analysis results of the respective vibration modes, which are shown in FIGS. 37 to 40, respectively, for the sake of convenience in comparing with the vibrating body 5 in the stationary state shown in FIG. FIG. Specifically, FIG. 41 is a diagram showing the analysis result of the vibration mode 1 in comparison with the vibration body 5 in the stationary state, and FIG. 42 is a diagram showing the analysis result of the
さらに、図42は、振動モード5の解析結果を単独で示す図であり、図43は、振動モード6の解析結果を単独で示す図である。図44は、振動モード5の解析結果を静止状態にある振動体5と対比して示す図であり、図45は、振動モード6の解析結果を静止状態にある振動体5と対比して示す図である。 Further, FIG. 42 is a diagram solely showing the analysis result of the vibration mode 5, and FIG. 43 is a diagram solely showing the analysis result of the vibration mode 6. FIG. 44 is a diagram illustrating an analysis result of the vibration mode 5 in comparison with the vibration member 5 in a stationary state, and FIG. 45 is a diagram illustrating an analysis result of the vibration mode 6 in comparison with the vibration member 5 in a stationary state. FIG.
図35ないし図48に示すように、第3の数値解析結果によれば、分岐間隔L2が反射ミラー8の幅L1の2倍である解析例においては、第2の数値解析の結果より多数の非ねじり振動モードが、ねじり振動モードの周波数より低い領域において発生し、そのため、光走査装置1,200による光走査の安定性が低下することが分かる。
As shown in FIGS. 35 to 48, according to the third numerical analysis result, in the analysis example in which the branch interval L2 is twice the width L1 of the
以上説明した3種類の数値解析の結果を総合的に考察すれば、振動体5においては、連結部17,18の長さ、すなわち、第2のばね部12,13および第2のばね部15,16の分岐間隔L2を反射ミラー8の幅L1より短くすれば、連結部17,18の質量M2が減少し、反射ミラー8の揺動速度が高速化されるにもかかわらず、非ねじり振動モードのうち、1次の水平方向振動モード(面内振動モード)および垂直方向振動モード(面外振動モード)を除く振動モードの発生が抑制される。そのような振動モードは、反射ミラー8からの反射光の直線性を阻害する振動モードである。
Considering the results of the three types of numerical analysis described above comprehensively, in the vibrating body 5, the lengths of the connecting
したがって、分岐間隔L2を幅L1より短くすれば、振動体5のねじり振動がることができる。 Therefore, if the branch interval L2 is shorter than the width L1, torsional vibration of the vibrating body 5 can occur.
以上、画像形成装置100に用いられる光走査装置に本発明を適用する場合のいくつかの実施形態を例にとり、本発明を説明したが、レーザプリンタ、バーコードスキャナ、プロジェクタ等、光走査を行う各種装置に用いられる光走査装置に本発明を適用することが可能である。
As described above, the present invention has been described with reference to some embodiments in which the present invention is applied to the optical scanning device used in the
さらに、以上説明したいくつかの実施形態においては、振動体5が大気に直に曝されているが、レーザ光を透過可能なカバーで覆うことによって振動体5が密封され、その密閉空間が大気圧より減圧されるかまたはその密閉空間に不活性ガスが充填される態様で本発明を実施することが可能である。 Further, in some embodiments described above, the vibrating body 5 is directly exposed to the atmosphere. However, the vibrating body 5 is sealed by covering the vibrating body 5 with a cover that can transmit laser light, and the sealed space is large. The present invention can be carried out in a mode in which the pressure is reduced below the atmospheric pressure or the closed space is filled with an inert gas.
以上、本発明の実施形態のいくつかを図面に基づいて詳細に説明したが、これらは例示であり、前記[発明の開示]の欄に記載の態様を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変形、改良を施した他の形態で本発明を実施することが可能である。 As described above, some of the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, these are exemplifications, and based on the knowledge of those skilled in the art, including the aspects described in the section of [Disclosure of the Invention]. The present invention can be implemented in other forms with various modifications and improvements.
1 光走査装置
5 振動体
7 固定枠部
8 反射ミラー
9,10 第1のばね部
12,13,15,16 第2のばね部
17,18 連結部
100 画像形成装置
102 垂直走査系
103 水平走査系
106 光源
a,b,c,d 駆動源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical scanning device 5
Claims (22)
前記振動体は、
前記反射ミラー部に連結され、ねじり振動が発生させられる第1のばね部と、
その第1のばね部に連結され、かつ、前記振動体の固定枠部に前記第1のばね部の幅より広い分岐間隔で分岐して連結され、かつ、曲げ振動とねじり振動とが発生させられる複数の第2のばね部と、
それら複数の第2のばねをそれぞれ振動させる複数の駆動源と
を含み、
前記振動体のうち、互いに対応する各第2のばね部と各駆動源とで構成される弾性変形部における断面2次モーメントが前記第1のばね部の断面2次モーメントより小さい光走査装置。 By vibrating at least a part of a vibrating body having a reflection mirror unit, an optical scanning device that scans light by changing a reflection direction of light incident on the reflection mirror unit,
The vibrator,
A first spring unit connected to the reflection mirror unit and generating torsional vibration;
The first spring portion is connected to the fixed frame portion of the vibrating body at a branch interval wider than the width of the first spring portion, and bending vibration and torsional vibration are generated. A plurality of second spring portions,
A plurality of driving sources for respectively oscillating the plurality of second springs;
An optical scanning device in which, among the vibrators, a second moment of area in an elastically deformable portion composed of each of the second spring portions and each of the driving sources corresponding to each other is smaller than the second moment of area of the first spring portion.
前記振動体は、
前記反射ミラー部に連結され、ねじり振動が発生させられる第1のばね部と、
その第1のばね部に連結され、かつ、前記振動体の固定枠部に前記第1のばね部の幅より広い分岐間隔で分岐して連結され、かつ、曲げ振動とねじり振動とが発生させられる複数の第2のばね部と
を含み、
前記各第2のばね部は、前記第1のばね部と同じ弾性係数を有する一方、その第1のばね部より弾性変形し易い断面形状を有し、
当該光走査装置は、さらに、前記複数の第2のばねを振動させる駆動源を含む光走査装置。 By vibrating at least a part of a vibrating body having a reflection mirror unit, an optical scanning device that scans light by changing a reflection direction of light incident on the reflection mirror unit,
The vibrator,
A first spring unit connected to the reflection mirror unit and generating torsional vibration;
The first spring portion is connected to the fixed frame portion of the vibrating body at a branch interval wider than the width of the first spring portion, and bending vibration and torsional vibration are generated. A plurality of second spring portions, and
Each of the second spring portions has the same elastic modulus as the first spring portion, but has a cross-sectional shape that is more easily elastically deformed than the first spring portion,
The optical scanning device further includes a driving source that vibrates the plurality of second springs.
前記振動体は、さらに、前記第1のばね部と、前記複数の第2のばね部とを互いに連結する連結部を含み、それら第1のばね部と複数の第2のばね部と連結部とが連結体を構成し、
その連結体は、前記振動体に、前記反射ミラー部を隔てて前記揺動軸線の方向において互いに対向する2個の対向位置にそれぞれ配置される請求項1ないし15のいずれかに記載の光走査装置。 The reflection mirror unit is caused to swing around a swing axis by the torsional vibration,
The vibrating body further includes a connecting portion that connects the first spring portion and the plurality of second spring portions to each other, and the first spring portion, the plurality of second spring portions, and the connecting portion. And constitute a connected body,
The optical scanning device according to any one of claims 1 to 15, wherein the connecting members are arranged on the vibrating member at two opposing positions opposing each other in the direction of the oscillation axis with the reflection mirror portion interposed therebetween. apparatus.
前記光束を出射する光源と、
請求項1ないし19のいずれかに記載の光走査装置を有し、その光走査装置を使用することにより、前記光源から出射した光束を走査する走査部と
を含む画像形成装置。 An image forming apparatus that forms an image by scanning a light beam,
A light source for emitting the light beam;
20. An image forming apparatus comprising: the optical scanning device according to claim 1; and a scanning unit that scans a light beam emitted from the light source by using the optical scanning device.
22. The image forming apparatus according to claim 20, further comprising an optical system that guides a light beam scanned by the scanning unit toward a retina of an observer.
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