JP2010060592A - 光学デバイス、光スキャナ及び画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光反射部の変形を低減することのできる光学デバイス、光スキャナ及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】板状の可動板211と、可動板211を回動可能に支持する一対の軸部材212、213と、一対の軸部材212、213を捩り変形させ、可動板211を回動させる駆動手段6とを備え、可動板211は、光を反射する光反射部211aと、光反射部211aと一対の軸部材212,213との間に配置される接続部211b、211cとを有する。
【選択図】図1
【解決手段】板状の可動板211と、可動板211を回動可能に支持する一対の軸部材212、213と、一対の軸部材212、213を捩り変形させ、可動板211を回動させる駆動手段6とを備え、可動板211は、光を反射する光反射部211aと、光反射部211aと一対の軸部材212,213との間に配置される接続部211b、211cとを有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、光を反射する光反射部を有する光学デバイス、光スキャナ及び画像形成装置に関する。
従来、この種の光学デバイス(アクチュエータ)として、光反射部(反射ミラー)が設けられた可動板と、可動板を軸支する軸部材(トーションバー)とを備えるアクチュエータであって、軸部材を捩り変形させることにより可動板を回転させるように構成したものが知られている(例えば特許文献1参照)。
特開2005−295646号公報
しかしながら、従来の光学デバイスでは、可動板を駆動する際に、軸部材の捩り変形による力が可動板に伝達し、可動板における軸部材との接続部分に局所的に大きな撓みを生じさせる。その結果、可動板に設けられた光反射部が大きく変形し、例えば光反射部によって反射された光がぶれたりずれたりするという問題があった。
本発明は前述の問題に鑑みてなされたものであり、光反射部の変形を低減することのできる光学デバイス、光スキャナ及び画像形成装置を提供することを目的の1つとする。
本発明に係る光学デバイスは、板状の可動部と、前記可動部を回動可能に支持する一対の軸部材と、前記一対の軸部材を捩り変形させ、前記可動部を回動させる駆動手段とを備え、前記可動部は、光を反射する光反射部と、前記光反射部と前記一対の軸部材との間に配置される接続部とを有する。
かかる構成によれば、可動部が、光を反射する光反射部と、光反射部と一対の軸部材との間に配置される接続部とを有するので、接続部が緩衝部として機能し、軸部材の捩り変形による力を吸収することができる。これにより、接続部を介して軸部材に接続される光反射部の変形を低減することができる。
好ましくは、前記接続部は、前記可動部より硬い補強部材が設けられる。
かかる構成によれば、接続部に可動部より硬い補強部材が設けられるので、接続部が軸部材の捩り変形による力を更に吸収することができる。これにより、接続部を介して軸部材に接続される光反射部の撓み(変形)を更に低減することができる。
かかる構成によれば、接続部に可動部より硬い補強部材が設けられるので、接続部が軸部材の捩り変形による力を更に吸収することができる。これにより、接続部を介して軸部材に接続される光反射部の撓み(変形)を更に低減することができる。
前記補強部材は、前記可動部の両面に設けられる。
かかる構成によれば、補強部材が可動部の両面に設けられるので、補強部材を設けることによる応力が互いに打ち消されるとともに、補強部材を設けることによる可動部全体の重心のずれが少なくなる。これにより、補強部材を設けることによる可動部の反り(変形)を低減することができる。
かかる構成によれば、補強部材が可動部の両面に設けられるので、補強部材を設けることによる応力が互いに打ち消されるとともに、補強部材を設けることによる可動部全体の重心のずれが少なくなる。これにより、補強部材を設けることによる可動部の反り(変形)を低減することができる。
好ましくは、前記補強部材は、ダイヤモンド及びダイヤモンドライクカーボンのうち少なくとも一方を含む。
かかる構成によれば、補強部材が、ダイヤモンド及びダイヤモンドライクカーボンのうち少なくとも一方を含むので、軸部材の捩り変形による力を更に吸収することができるとともに、熱伝導率の高い補強部材によって、光反射部に入射した光による熱を放出することができる。これにより、熱が加わることによって軸部材及び可動部(振動系)の共振振周波数が下がる(変化する)のを防止することができる。
本発明に係る光スキャナは、前述した本発明に係る光学デバイスを備える。
かかる構成によれば、前述した本発明に係る光学デバイスを備えるので、光反射部の変形を低減することができる。これにより、光反射部によって反射された光がぶれたりずれたりするのを防止することができ、優れた光学特性を有する光スキャナを実現することができる。
かかる構成によれば、前述した本発明に係る光学デバイスを備えるので、光反射部の変形を低減することができる。これにより、光反射部によって反射された光がぶれたりずれたりするのを防止することができ、優れた光学特性を有する光スキャナを実現することができる。
本発明に係る画像形成装置は、前述した本発明に係る光スキャナを備える。
かかる構成によれば、前述した本発明に係る光スキャナを備えるので、光反射部の変形を低減することができる。これにより、光反射部によって反射された光がぶれたりずれたりするのを防止することができ、優れた描画特性を有する画像形成装置を実現することができる。
かかる構成によれば、前述した本発明に係る光スキャナを備えるので、光反射部の変形を低減することができる。これにより、光反射部によって反射された光がぶれたりずれたりするのを防止することができ、優れた描画特性を有する画像形成装置を実現することができる。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
(光学デバイス)
最初に、図1乃至図6を参照して本発明に係る光学デバイスについて説明する。図1は、本発明に係る光学デバイスの構成を説明する上面図である。図2は、図1に示したA−A線矢視方向断面図である。図3は、図1に示したB−B線矢視方向断面図である。なお、以下の説明では、図1中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」といい、図2中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」といい、図3中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」という。
(光学デバイス)
最初に、図1乃至図6を参照して本発明に係る光学デバイスについて説明する。図1は、本発明に係る光学デバイスの構成を説明する上面図である。図2は、図1に示したA−A線矢視方向断面図である。図3は、図1に示したB−B線矢視方向断面図である。なお、以下の説明では、図1中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」といい、図2中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」といい、図3中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」という。
光学デバイス1は、光の向きを変更するためのものであり、例えば光スキャナなどに用いられ、光源から照射された光を対象物に走査する。図1に示すように、光学デバイス1は基体2を備える。また、光学デバイス1は、図2に示すように、基体2を支持する支持基板3と、支持基板3を介して基体2と対向する対向基板5とを備え、図3に示すように、振動系21を駆動する駆動手段6を備える。
図1に示すように、基体2は、枠状の支持部22と、支持部22に支持された振動系21とを含んで構成される。振動系21は、支持部22の内側に設けられた可動板211と、可動板211を支持部22に両持ち支持する一対の軸部材212、213とを含んで構成される。
各軸部材212、213は、棒状をなしており、弾性変形可能である。また、各軸部材212、213は、可動板211を支持部22に対して回動可能とするように、可動板211と支持部22とを連結する。軸部材212、213は、互いに同軸上に設けられており、当該軸(以下、回動軸Xという)を中心として、可動板211が支持部22に対して回動するように構成される。なお、可動板211の中心は、回動軸X上に位置する。
可動板211は板状をなしており、回動軸Xまわりに回動可能に設けられている。すなわち、後述するように、駆動手段6によって一対の軸部材212、213が捩れ変形し、、可動板211は回動軸Xまわりに回動する。
可動板211の上面(対向基板5と反対側の面)には、光反射性を有する略円形の光反射部211aが設けられ、可動板の211の下面(対向基板5と対向する面)には、後述の磁性体61が設けられている。また、可動板211は、それぞれ光反射部211aと、軸部材212又は軸部材213との間に配置される接続部211b、211cを有する。これにより、接続部211b、211cが緩衝部として機能し、軸部材212、213の捩り変形による力を吸収することができる。
なお、接続部211b、211cのサイズは特に限定されないが、接続部211b、211cの幅(図1における長手方向の長さ)は、軸部材212、213の幅以上、かつ、光反射部211aの径の1/2以下で、接続部211b、211cの長さ(図1における短手方向の長さ)は幅の1/2以下であることが好ましい。
図2に示すように、結合部211b、211cの上面には補強部材211d、211eが設けられ、結合部211b、211cの下面には補強部材211f、211gが設けられている。補強部材211d、211e、211f、211gは、可動板211より硬い材料で構成される。これにより、接続部211b、211cが軸部材212、213の捩り変形による力を更に吸収することができる。
なお、補強部材211d、211e、211f、211gは、可動板211より硬い材料であればよく、特に限定されない。但し、補強部材211d、211e、211f、211gは、例えばダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン(以下、DLCという)などの硬度が高く、かつ、熱伝導率の高い材料を含むものが好ましい。これにより、軸部材212、213の捩り変形による力を更に吸収することができるとともに、熱伝導率の高い補強部材211d、211e、211f、211gによって、光反射部211aに入射した光による熱を放出することができる。
本実施形態では、結合部211b、211cの上面及び下面に、補強部材211d、211e、211f、211gに設けるようにしたが、これに限定されず、例えば後述のDLC膜のように薄膜を形成することにより、結合部211b、211cの上面及び下面のうち何れか一方の面のみに補強部材を設けるようにしてもよい。但し、補強部材は結合部211b、211cの上面及び下面の両面に設けられるのが好ましい。これにより、補強部材211d、211e、211f、211gを設けることによる応力が互いに打ち消されるとともに、補強部材211d、211e、211f、211gを設けることによる可動板211全体の重心のずれが少なくなる。
図4は、図1に示した可動板の変形例を説明する要部拡大図である。図5は、図1に示した軸部材及び結合部の変形例を説明する要部拡大図である。結合部211b、211cの形状は特に限定されず、図4に示すように、例えば可動板211の平面形状が楕円になるように、結合部211b、211cの形状を形成してもよい。また、図5に示すように、軸部材212と接続部211bとの接続部分(図における矢印部分)を曲線にして丸みをつけ、軸部材212と接続部211bとが滑らかに一体的に接続するようにしてもよい。なお、軸部材213と接続部211cとの接続部分も、同様にしてもよい(図示省略)。これにより、軸部材212、213の捩り変形によって、軸部材212、213と接続部211b211cとの接続部分に応力が集中し、接続部分が破断するおそれを低減することができる。
支持基板3は、例えばガラスやシリコンを主な材料として構成されている。支持基板3の平面形状は、支持部22と略同一形状をなしている。なお、支持基板3の平面形状は、特に限定されず、基体2を支持することができればよい。また、支持部22の形状などによっては、支持基板3を省略してもよい。支持基板3と基体2との接合方法は、特に限定されず、例えば接着剤を用いて接合してもよいし、陽極接合により接合してもよい。また、例えば基体2と支持基板3との間に、SiO2を主な材料として構成されたSiO2層が介在していてもよい。
図2に示すように、対向基板5は板状をなしており、支持基板3を介して基体2と対向するように設けられている。対向基板5は、例えばガラスやシリコンを主な材料として構成される。対向基板5の上面にはコイル62が設けられている。
図3に示すように、駆動手段6は、磁性体61と、コイル62と、電源63とを含んで構成される。なお、図3では、説明の便宜上、磁性体61の左側をN極とし、右側をS極としたものを示す。
磁性体61は、例えば永久磁石であり、その材料はネオジウム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石、ボンド磁石などの硬磁性体を着磁したものを好適に用いることができる。なお、既に着磁された硬磁性体(すなわち、永久磁石)でもよいし、硬磁性体を可動板211に設けた後に、硬磁性体を着磁することで永久磁石としてもよい。
コイル62は、磁性体61に磁界を作用させるためのものであり、磁性体61の直下に設けられている。すなわちコイル62は、可動板211の下面に対向するように設けられている。これにより、コイル62から発生する磁界を効率的に磁性体61に作用させることができる。
また、コイル62は、電源63と電気的に接続されている。電源63によってコイル62に電圧が印加されることにより、回動軸Xに直交する軸方向の磁束を有する磁界がコイル62から発生する。なお、コイル62は磁心に巻き付けられていてもよい。
電源63は、可動板211を回動軸Xまわりに回動させるための電圧V1を発生し、コイル62に印加するためのものである。電源が発生する電圧V1は、電圧値が例えば正弦波のように周期的に変化している。本実施形態では、電圧V1の周波数は、可動板211と1対の軸部材212、213とを含んで構成された振動系21のねじり共振周波数と等しくなるように設定されている。これにより、可動板211の回動軸Xまわりの回動角を大きくすることができる。
以上のような構成の光学デバイス1は、次のように動作する。すなわち、電源63から電圧V1をコイル62に印加すると、磁性体61(可動板211)が、回動軸Xを軸として図3において時計回り(右回り)方向のトルクを受ける磁界(この磁界を「磁界A1」という)と、反時計回り(左回り)方向のトルクを受ける磁界(この磁界を「磁界A2」という)とが、電圧V1によって交互に発生する。このような磁界A1と磁界A2とが交互に切り換わることで、軸部材212、213を捩れ変形させつつ、可動板211が第1の電圧V1の周波数で回動軸Xまわりに回動する。
また、光学デバイス1は、可動板211に磁性体61が設けられ、磁性体61に対向するように対向基板5上にコイル62が設けられている。つまり、振動系21上には発熱体であるコイル62が設けられていない。そのため、通電によってコイル62から発生する熱による基体2の熱膨張を抑制することができる。これにより、光学デバイス1は、長時間の連続使用であっても、所望の振動特性を発揮することができる。
本実施形態では、駆動手段6が磁界を発生させることにより、可動板211を回動軸Xまわりに回動させるようにしたが、これに限定されず、例えばクーロン力などによって可動板211を回動軸Xまわりに回動させるようにしてもよい。
次に、図6を参照して本発明に係る光学デバイスの製造方法について説明する。図6は、図1に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。なお、以下の説明では、図6中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
まず、図6(a)に示すように、基体2を形成するためのSi基板100を用意し、図6(b)に示すように、Si基板100の上面及び下面に、例えばDLC成膜装置などを用いて化学気相成長法(CVD)などの方法により、DLC膜101を成膜する。なお、例えばSi基板100の厚さが30μmである場合、DLC膜101の厚さは例えば10nm程度が好ましい。
次に、図6(c)に示すように、DLC膜101の上面に、補強部材211d、211eの平面形状に対応する形状をなすレジストマスクM1を形成するとともに、DLC膜101の下面に、補強部材211f、211gの平面形状に対応する形状をなすレジストマスクM2を形成する。
次に、レジストマスクM1を介してDLC膜101をエッチングする。その後、レジストマスクM1を除去する。同様に、レジストマスクM2を介してDLC膜101をエッチングする。その後、レジストマスクM2を除去する。これにより、図6(d)に示すように、後述の工程で可動板211となるSi基板100の上面及び下面に、補強部材211d、211e、211f、211gが形成される。
なお、エッチング方法としては、例えばプラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング、ビームエッチング、光アシストエッチングなどの物理的エッチング法、ウェットエッチングなどの化学的エッチング法のうち、1種又は2種以上を組み合わせて用いることができる。以下の各工程のエッチングにおいても、同様の方法を用いることができる。
次に、図6(e)に示すように、補強部材211d、211eが形成されたSi基板100の上面に、可動板211、軸部材212、213、及び支持部22の平面形状に対応する形状をなすレジストマスクM3を形成する。
次に、レジストマスクM3を介してSi基板100をエッチングする。その後、レジストマスクM3を除去する。これにより、図6(f)に示すように、可動板211、軸部材212、213、及び支持部22が一体的に形成される。このように、補強部材211d、211e、211f、211gを形成した後に、可動板211などが形成されるので、先に可動板211などを形成する場合と比較して、Si基板100にDCL膜101を均一の厚さに成膜するのが容易であるとともに、可動板211などを形成していないので、補強部材を形成する際のエッチングに対してSi基板100の強度が低下していない。
次に、図6(g)に示すように、可動板211の上面に金属膜を形成し、光反射部221aを形成する。このような金属膜の形成方法としては、真空蒸着、スパッタリング(低温スパッタリング)、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射法、金属箔の接合等が挙げられる。また、可動板211の下面に例えば硬磁性体を設け、硬磁性体を着磁することで、磁性体61が得られる。
一方、支持基板3及び対向基板5のそれぞれを、Si基板100をエッチングすることで形成する(図示省略)。このような支持基板3及び対向基板5のそれぞれの製造方法としては、前述したようなSi基板100から基体2などを形成する方法であってもよい。なお、対向基板5の上面には、コイル62が固着される。
最後に、基体2が形成されたSi基板100と、支持基板3と、対向基板5とを接合することで、図6(h)に示すように、光学デバイス1が得られる。接合方法としては、特に限定されず、例えば、接着剤を用いて接合してもよいし、陽極接合によって接合してもよい。
このように、本発明に係る光学デバイス1によれば、可動板211が、光を反射する光反射部211aと、光反射部211aと一対の軸部材212、213との間に配置される接続部211b、211cとを有するので、接続部211b、211cが緩衝部として機能し、軸部材212、213の捩り変形による力を吸収することができる。これにより、接続部211b、211cを介して軸部材212、213に接続される光反射部211aの変形を低減することができる。
また、接続部211b、211cに可動板211より硬い補強部材211d、211e、211f、211gが設けられるので、接続部211b、211cが軸部材212、213の捩り変形による力を更に吸収することができる。これにより、接続部211b、211cを介して軸部材212、213に接続される光反射部211aの撓み(変形)を更に低減することができる。
また、補強部材211d、211e、211f、211gが可動板211の上面及び下面に設けられるので、補強部材211d、211e、211f、211gを設けることによる応力が互いに打ち消されるとともに、補強部材211d、211e、211f、211gを設けることによる可動板211全体の重心のずれが少なくなる。これにより、補強部材211d、211e、211f、211gを設けることによる可動板211の反り(変形)を低減することができる。
また、補強部材211d、211e、211f、211gが、ダイヤモンド及びダイヤモンドライクカーボンのうち少なくとも一方を含むので、軸部材212、213の捩り変形による力を更に吸収することができるとともに、熱伝導率の高い補強部材211d、211e、211f、211gによって、光反射部211aに入射した光による熱を放出することができる。これにより、熱が加わることによって軸部材212、213及び可動板211(振動系21)の共振振周波数が下がる(変化する)のを防止することができる。
(光スキャナ)
以上説明したような光学デバイス1は、光反射部211aを備えているため、例えば、レーザープリンタ、バーコードリーダー、走査型共焦点レーザー顕微鏡、イメージング用ディスプレイ等の画像形成装置に備える光スキャナに好適に適用することができる。なお、本発明の光スキャナは、前述した光学デバイス1と同様の構成であるため、その説明を省略する。
以上説明したような光学デバイス1は、光反射部211aを備えているため、例えば、レーザープリンタ、バーコードリーダー、走査型共焦点レーザー顕微鏡、イメージング用ディスプレイ等の画像形成装置に備える光スキャナに好適に適用することができる。なお、本発明の光スキャナは、前述した光学デバイス1と同様の構成であるため、その説明を省略する。
このように、本発明に係る光スキャナによれば、前述した本発明に係る光学デバイス1を備えるので、光反射部211aの変形を低減することができる。これにより、光反射部211aによって反射された光がぶれたりずれたりするのを防止することができ、優れた光学特性を有する光スキャナを実現することができる。
(画像形成装置)
次に、図7を参照して本発明に係る画像形成装置について説明する。図7は、本発明に係る光スキャナを備える画像形成装置の一例を示す模式的断面図である。
次に、図7を参照して本発明に係る画像形成装置について説明する。図7は、本発明に係る光スキャナを備える画像形成装置の一例を示す模式的断面図である。
図7に示す画像形成装置(イメージングディスプレイ)119は、光スキャナである光学デバイス1と、R(赤)、G(緑)、B(青)の3色の光源191、192、193と、クロスダイクロイックプリズム(Xプリズム)194と、ガルバノミラー195と、固定ミラー196と、スクリーン197とを備えている。
このような画像形成装置119にあっては、光源191、192、193からクロスダイクロイックプリズム194を介して光学デバイス1(光反射部211a)に各色の光が照射される。このとき、光源191からの赤色の光と、光源192からの緑色の光と、光源193からの青色の光とが、クロスダイクロイックプリズム194にて合成される。そして、光反射部211aで反射した光(3色の合成光)は、ガルバノミラー195で反射した後に、固定ミラー196で反射し、スクリーン197上に照射される。
その際、光学デバイス1の動作(可動板211の回動軸Xまわりの回動)により、光反射部211aで反射した光は、スクリーン197の横方向に走査(主走査)される。一方、ガルバノミラー195の軸線Yまわりの回転により、光反射部211aで反射した光は、スクリーン197の縦方向に走査(副走査)される。また、各色の光源191、192、193から出力される光の強度は、図示しないホストコンピュータから受けた画像情報に応じて変化する。
このように、本発明に係る画像形成装置119よれば、前述した本発明に係る光スキャナを備えるので、光反射部211aの変形を低減することができる。これにより、光反射部211aによって反射された光がぶれたりずれたりするのを防止することができ、優れた描画特性を有する画像形成装置119を実現することができる。
なお、本発明の構成は、前述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。
1…光学デバイス、6…駆動手段、211…可動板、211a…光反射部、211b,211c…接続部、211d,211e,211f,211g…補強部材、212,213…軸部材、119…画像形成装置。
Claims (6)
- 板状の可動部と、
前記可動部を回動可能に支持する一対の軸部材と、
前記一対の軸部材を捩り変形させ、前記可動部を回動させる駆動手段とを備え、
前記可動部は、光を反射する光反射部と、前記光反射部と前記一対の軸部材との間に配置される接続部とを有する
ことを特徴とする光学デバイス。 - 前記接続部は、前記可動部より硬い補強部材が設けられる
ことを特徴とする請求項1に記載の光学デバイス。 - 前記補強部材は、前記可動部の両面に設けられる
ことを特徴とする請求項2に記載の光学デバイス。 - 前記補強部材は、ダイヤモンド及びダイヤモンドライクカーボンのうち少なくとも一方を含む
ことを特徴とする請求項2に記載の光学デバイス。 - 請求項1乃至4の何れかに記載の光学デバイスを備える
ことを特徴とする光スキャナ。 - 請求項5に記載の光スキャナを備える
ことを特徴とする画像形成装置。
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