JPH0495917A - 光スキャナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、例えばレーザプリンタやバーコードリーダ等
において光ビームを線状に走査させる光スキャナに関す
る。

［背景技術］ 第９図に従来例の光スキャナの構造を示す。これは、ポ
リゴンミラー３１を用いた光スキャナであり、正多角形
状をしたポリゴンミラー３１の外周面にはミラー面３１
ａ、３１ａ、・・・が形成されており、ポリゴンミラー
３１はドライバ回路３５で制御された直流サーボモータ
３２によって一定角速度で回転させられている。そして
、半導体レーザ装置３６から出射されたレーザビームα
は結像レンズ３３によって集光され、ポリゴンミラー３
１のミラー面３１ａに照射される。そして、ポリゴンミ
ラー３１のミラー面３１ａで反射されたレーザビームα
は、ビームスキャンレンズ３４を透過し、例えば感光ド
ラム３７の表面に照射される。ここでポリゴンミラー３
１が一定角速度で回転していると、レーザビームαを照
射されているミラー面３１ａの角度が変化するので、ポ
リゴンミラー３１で反射されたレーザビームαの出射方
向が変化し、レーザビームαが例えば感光ドラム３７の
表面を走査される。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このようなタイプの光スキャナにあって
は、ポリゴンミラーと回転駆動用の直流サーボモータが
必要不可欠であるため、光スキャナの小型化を図るのが
困難で、そのツノ１型化にも限界があった。また、光ス
キャナによる走査幅や走査速度等を精度良く得ようとす
れば、ポリゴンミラーの各ミラー面の寸法や各ミラー面
間の角度等の精度が厳しく要求され、加工コスト及び組
み立て調整コストが高価となり、低コスト化が困難であ
った。また、レーザビームのスキャン角は、ポリゴンミ
ラーの面数で決定されるため、各光スキャナのスキャン
角は一定であり、そのスキャン角を変更することは不可
能であった。

さらに、従来の光スキャナでは、レーザビームのスキャ
ン方向は１方向のみであり、１台の光スキャナによって
スキャン方向を切り換えたり、２方向で同時にスキャン
させたりすることはできなかった。

本発明は、斜上の従来例の欠点に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、新規な原理に基づく小
型で安価な光スキャナを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の光スキャナは、少なくとも２つの弾性変形モー
ドを有する弾性変形部と、弾性変形部の一端に設けられ
た加振部と、前記弾性変形部の各弾性変形モードに対す
る共振周波数の振動を加振部に付与するための駆動源と
、弾性変形部の他端に設けられ、加振部に振動が印加さ
れた時に少なくともいずれかの弾性変形モードで弾性変
形部を弾性振動させるように配置され、弾性変形部の弾
性振動によって少なくとも２方向に回動できるようにな
ったスキャン部と、スキャン部に設けられたミラー面と
からなることを特徴としている。

［作用］ 弾性変形部の特定の弾性変形モードに対する共振周波数
の振動を加振部に加えると、弾性変形部が当該弾性変形
モードで弾性振動し、スキャン部が特定の方向で回動す
る。このため、スキャン部のミラー面に光ビームを照射
させていると、ミラー面で反射された光ビームがスキャ
ン部の回転によってスキャンされる。

しかも、弾性変形部は、少なくとも２つの弾性変形モー
ドを有しているので、駆動源の駆動周波数を変化させて
励起モードを変えると、スキャン部の回動方向が変化し
、光ビームのスキャン方向を変更することができる。し
たがって、１つの光スキャナで少なくとも２つのスキャ
ン方向を達成できる。

また、スキャン部、弾性変形部及び加振部は、プレート
状に形成することができ、駆動源としては圧電振動子の
ような小型のアクチュエータを使用することかできるの
で、光スキャナを超小形化することがでとる。しかも、
構造も簡略であるので、製作コストや組立て調整コスト
等も安価となり、低コストの光スキャナを提供できる。

さらに、駆動源によって加振部の振幅を変化させれば、
弾性変形部における弾性振動の振幅（スキャン部の回動
角）を変化させることができ、光ビームのスキャン角の
調整も可能である。

［実施例コ 以下、本発明の一実施例を添付図に基づいて詳述する。

第１図に本発明の一実施例な示す。この光スキャナ１は
、薄板状のプレート７と圧電振動子や磁歪振動子等の微
小振動を発生する小形の駆動源８とから構成されている
。プレート７は、第２図及び第３図に示すような形状を
しており、長い細幅の弾性変形部２の下端に、駆動源６
から振動を印加させるための加振部５が一体に設けられ
、弾性変形部２の上端に、レーザビームをスキャンさせ
るためのスキャン部３が一体に設けられている。

ここで、弾性変形部２は、第２図に示すように軸心Ｐの
回りにねじれ変形するねじれ変形モードと、第３図に示
すように軸心Ｐに沿って曲げ変形する曲げ変形モードが
可能になっており、ねじれ変形モードの弾性振動につい
てはｆＴの共振周波数を有し、曲げ変形モードの弾性振
動についてはｆａの共振周波数を有している。スキャン
部３は、弾性変形部２の軸心Ｐに関してアンバランスな
形状に形成されており、弾性変形部２の軸心Ｐから離れ
た部分にウェイト部８が形成されている。したがって、
スキャン部３の重心は、弾性変形部２の軸心Ｐから外れ
た位置にあり、さらに、弾性変形部２の上端よりも上方
に位置している。また、スキャン部３には、レーザビー
ムを反射させるためのミラー面４が形成されている。こ
のミラー面４は、スキャン部３の全体に形成してもよく
、部分的に形成してもよいが、第１図の実施例では、軸
心Ｐの近傍の部分に設けである。加振部５は、圧電振動
子等の駆動源６に接着もしくは接合されて駆動源６に固
定されており、スキャン部３は弾性変形部２によってフ
リーに支持されている。

上記プレート７は、表面が平滑で表面精度の良好なシリ
コンウェハやガラスウェハ等の薄板部材にエツチング等
によって微細加工を施すことにより作成されるものであ
り、超小形、のプレート７を多量生産できる。また、プ
レート７のミラー面４もシリコンウェハ等にエツチング
を施すことによって形成されており、鏡面加工よりも安
価にミラー面４を作成することができる。

加振部２へ高周波振動（例えば、数１００　Ｈｚ）を加
える圧電振動子等の駆動源６は、駆動回路によって制御
されており、ねじれ変形モードの共振周波数ｆＴもしく
は曲げ変形モードの共振周波数ｆ、の振動を励起される
。第７図に示すものは、この駆動回路９の一例であり、
ねじれ変形モードの共振周波数ｆＴと一致する周波数の
電圧信号を圧力し続けている発振器１０と、発振器１０
から出力されている電圧信号を増幅する増幅器１１と、
曲げ変形モードの共振周波数ｆａと一致する周波数の電
圧信号を出力し続けている発振器１２と、この発振器１
２から出力されている電圧信号を増幅する増幅器１３と
、画壇幅器１１．１３からの周波数ｆＴの出力電圧と周
波数ｆＢの出力電圧を切り換えて駆動源６に印加させる
ためのスイッチ１４とから構成されている。さらに、ス
イッチ１４の切り換えにより、画壇幅器１１．１３から
出力された周波数ｆＴの電圧信号と周波数ｆＢの電圧信
号を重畳させたミキシング信号を駆動源６に印加させら
れるようにしても良い。また、スイッチ１４を両会振器
１０，１２と増幅器との間に配置すれば、増幅器を１台
で兼用させることができる。

また、第８図に示すものは別な駆動回路１５であって、
電圧設定部１Ｇ、電圧／周波数変換器１７及び増幅器１
８から構成されている。任意に設定された駆動軸指令信
号に基づき、電圧設定部１６からＶｌ（もしくは、Ｖ２
）の電圧信号を出力すると、その電圧信号は電圧／周波
数変換器１７によって対応する周波数ｆＴ（もしくは、
ｆＢ）の信号に変換され、増幅器１８で電圧増幅された
後、共振周波数ｆＴ（もしくは、ｆＢ）の信号が駆動源
６に印加される。

なお、第７図及び第８図では、周波数信号として正弦波
を示しているが、矩形波や三角波を用いても同様な効果
が得られる。

しかして、本発明に係る光スキャナ１は、上述のように
構成されているので、駆動回路によって駆動源６をある
周波数で振動させ、この振動を加振部５に印加させて第
１図のＸ方向に往復振動させると、スキャン部３に慣性
力が作用し、この慣性力によって弾性変形部２は、慣性
力の加わった方向に弾性変形し振動する。しかも、加振
部５に印加される駆動周波数ｆが、弾性変形部２のばね
剛性や慣性モーメント等から決まるねじれ変形モードの
共振周波数ｆＴまたは曲げ変形モードの共振周波数ｆＢ
に一致すると、当該モードの弾性振動が弾性変形部２で
増幅され、スキャン部３が大きな回動角で駆動される。

すなわち、駆動周波数ｆとスキャン部３のねじれ変形モ
ードの回動角θ１または曲げ変形モードの回動角θ８と
の関係は、例えば第４図に示すようになる。第４図は、
２つの共振周波数がｆｔ＜ｆａの場合における、駆動源
６の駆動周波数ｆとスキャン部３の回動角との関係を示
しており、横軸が駆動周波数ｆ、縦軸がスキャン部のね
じれ変形モードの回動角θ７または曲げ変形モードの回
動角θ８を示している。このようにねじれ変形モードに
おける回動角θ、は、駆動周波数ｆがｆＴに等しい時に
最大となり、その両側では急激に減衰する。一方、曲げ
変形モードにおける回動角θ８は、駆動周波数ｆがｆａ
に等しい時に最大となり、その両側で急激に減衰する。

したがって、圧電振動子のように微小振動しか行なえな
いような駆動源６であっても、各弾性変形モードの共振
周波数と等しい周波数で駆動させることにより、ミラー
面４を大きな角度で回動させることができる。

よって、加振部５をねじれ変形モードの共振周波数ｆＴ
で振動させると、弾性変形部２でねじれ変形モードの振
動が増幅され、スキャン部３は第２図に示すようにθ７
の回動角で軸心Ｐの回りに回動させられる。この時、第
１図に示すように、ミラー面４にレーザビームαを照射
していれば、反射したレーザビームαはスキャン部３の
回動角θアの２倍のスキャン角２θ７でスキャンされる
。

したがって、第５図に示すように、光スキャナ１で反射
されたレーザビームαをスクリーン１θに照射させれば
、レーザビームαは第６図（ａ）に示すように左右にス
キャンされる。

また、加振部５を曲げ変形モードの共振周波数ｆａで振
動させると、弾性変形部２で曲げ変形モードの振動が増
幅され、スキャン部３は第３図に示すようにθ８の回動
角で軸心Ｐと直交する方向Ｑの回りに回動させられる。

このときミラー面４にレーザビームαが照射されている
と、反射したレーザビームαはスキャン部３の回動角θ
８の２倍のスキャン角２θ８でスキャンされる。したが
って、光スキャナ１からの反射レーザビームαをスクリ
ーン１９に照射させれば、第６図（ｂ）に示すようにレ
ーザビームαは上下にスキャンされる。

さらに、駆動源６により、ねじれ変形モードの共振周波
数ｆＴをもつ振動と曲げ変形モードの共振周波数ｆａを
もつ振動とを重ね合わせた振動モードで加振部５を振動
させると、弾性変形部２でねじれ変形モードと曲げ変形
モードの両振動が増幅されるので、スキャン部３では軸
心２回りの回動角θ７の振動とＱ方向の回りの回転角θ
８の振動とが合成され、スキャン部３で反射されたレー
ザビームαをスクリーン１θに照射させていると、レー
ザビームαは、第６図（Ｃ）に示すように面状にスキャ
ンされる。

また、駆動源６から加振部５に印加する駆動周波数ｆを
いずれかの共振周波数に保ちながら、駆動源ｅに印加す
る電圧を調整することにより加振部５の振幅Ｘを変化さ
せると、スキャン部３の回動角θ７もしくはθ８を制御
させることができる。

すなわち、第４図の破線で示した曲線は、実線で示した
曲線よりも大きな振幅で加振部５を振動させた場合であ
り、加振部５の振幅Ｘが大きくなると、スキャン部３の
回動角θ７．θ８も増大する。

したがって、この光スキャナ１は、駆動源６の駆動周波
数ｆとしていずれかの共振周波数を選択することによっ
て直交２方向のうちのいずれかのスキャン方向を選択し
、駆動源６に印加する電圧を制御して加振部５の振幅Ｘ
を調整しくあるいは、駆動周波数ｆを微小変化させても
よい、、）、スキャン角２θ７もしくは２θ８を制御さ
せる使い方ができる。

なお、本発明の光スキャナは、上記実施例に限定される
ものでなく、本発明の技術思想を逸脱しない範囲におい
て種々の設計変更が可能である。

例えば、上記実施例ではスキャン部の表面そのものがミ
ラー面となっていたが、ミラー面を形成された別なミラ
ー板をスキャン部の表面に接着させても差し支えない。

また、スキャン部やミラー面の材質は、所望の機能が得
られるものであれば特に限定されるものではなく、上記
のようなシリコンウェハやガラスウェハを用いたものに
限られるわけではない。さらに、駆動源としては、圧電
振動子や磁歪振動子等以外にも、高速で微小振動可能な
アクチュエータであればよく、例えば静電力を用いて微
小振動を発生させるアクチュエータを用いてもよい。ま
た、図示したプレートの形状は一例であって、２種以上
の弾性変形モードを得ることができる形状であれば図示
の形状に限らない。

さらに、上記実施例では、２つの共振周波数ｆ？とｆａ
は互いに異なる値であったが、これらの共振周波数ｆｔ
、ｆａは弾性変形部のばね剛性や慣性モーメントの大き
さ、プレートの形状等によって任意に設定することがで
き、両共振周波数ｆＴとｆａの値を一致させてもよい。

［発明の効果］ 本発明によれば、新規な原理による光スキャナを提供す
ることができる。すなわち、圧電振動子のような駆動源
の振動を弾性変形部によってスキャン部の回動運動に変
換させることができ、スキャン部のミラー面に光ビーム
を照射させていれば、ミラー面で反射された光ビームが
スキャニングされる。

しかも、弾性変形部は、少なくとも２つの弾性変形モー
ドを有しているので、いずれかのモードの共振周波数で
加振部を励振させれば、当該モードで弾性変形部を弾性
振動させることができ、スキャン部の回動方向を変更さ
せることができる。

したがって、２軸以上のスキャン方向を持つ光スキャナ
を作成することかでき、１台の光スキャナで２方向以上
に光ビームをスキャンさせることができる。

また、光スキャナを順手形化することができ、かつ、安
価な光スキャナを提供できる。

さらに、加振部の振幅を調整することにより、スキャン
部の回動する角度を変化させることができ、１台の光ヌ
キャナによって光ビームを自由なスキャン角で走査させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す斜視図、第２図は同上
のプレートのねじれ変形モードを示す斜視図、第３図は
同上のプレートの曲げ変形モードを示す斜視図、第４図
は駆動周波数とスキャン部の回動角との関係を示す図、
第５図は本発明の光スキャナによってスクリーンにレー
ザビームを照射している様子を示す斜視図、第６図（ａ
）　（ｂ）　（ｃ）は各モードでスクリーン上にスキャ
ンされているレーザビームの軌跡を示す図、第７図は同
上の駆動源を駆動させるための駆動回路を示すブロック
図、第８図は同上の駆動源を駆動させるための駆動回路
の他側を示すブロック図、第９図は従来例を示す斜視図
である。 ２・・・弾性変形部 ３・・・スキャン部 ４・・・ミラー面 ５・・・加振部 ６・・・駆動源 特許出願人　　オムロン株式会社 代理人　弁理士　中　野　雅　房 第５図 〆 第６１！１ （ｂ） （Ｃ） 第７ 第８１！１ ａ９図 平成３年３月１８日

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも２つの弾性変形モードを有する弾性変
   形部と、 弾性変形部の一端に設けられた加振部と、 前記弾性変形部の各弾性変形モードに対する共振周波数
   の振動を加振部に付与するための駆動源と、 弾性変形部の他端に設けられ、加振部に振動が印加され
   た時に少なくともいずれかの弾性変形モードで弾性変形
   部を弾性振動させるように配置され、弾性変形部の弾性
   振動によって少なくとも２方向に回動できるようになっ
   たスキャン部と、スキャン部に設けられたミラー面とか
   らなることを特徴とする光スキャナ。