JP2010107572A - Optical scanner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光源より照射された光ビームを揺動するミラー部で反射して走査を行う光走査装置に関する。 The present invention relates to an optical scanning apparatus that performs scanning by reflecting a light beam emitted from a light source by a oscillating mirror.
光源より照射されたレーザー光等の光ビームを走査する光走査装置は、バーコードリーダ、レーザープリンタ、ヘッドマウントディスプレー等の光学機器、あるいは赤外線カメラ等撮像装置の光取り入れ装置として用いられている。
例えば、図7(a)において、支持部材51に片持ち支持されたステンレス基板やシリコン基板などの基板52の自由端側に開口部53が形成され、当該開口部53内に梁部54により両側が連結されたミラー部55が設けられている。ミラー部55は鏡面仕上げされているか、反射膜が形成されているか、ミラーが貼付けられている。
An optical scanning device that scans a light beam such as a laser beam emitted from a light source is used as an optical device such as a barcode reader, a laser printer, or a head-mounted display, or a light intake device of an imaging device such as an infrared camera.
For example, in FIG. 7A, an
また、基板52に圧電体、磁歪体、または永久磁石のいずれかによる薄膜よりなる振動源56を設け、例えば圧電体の場合、図示しない駆動源より正電圧を印加すると延びが発生し、負電圧を印加すると縮みが発生するため、基板52に撓みが発生する。この基板52の上下方向の撓みに対して梁部54にねじれ振動が発生してミラー部55が揺動する。
Further, the
このミラー部55と梁部54との共振周波数付近で駆動周波数を維持して、振動するミラー部55によりレーザー光を反射することで光走査する。これによって、MEMS(Micro Electro Mechanical System)を用いて製造された微小ミラーを揺動させる光走査装置より製造コストがかからず、小型の振動源でミラー部に大きな振動を発生させるようになっている(特許文献1)。
上述した光走査装置の起動時の過渡応答特性解析をした結果を図7(b)のグラフ図に示す。図7(b)は、時間変化と、ミラー部55の中心点Mの位置(図7(a)参照)における基板52の面に対して鉛直な方向(以下「上下方向」という)の変位との関係を示す。このグラフ図から、時間変化にともなって、中心点Mが上下方向に不規則に変位していることが分かる。
The graph of FIG. 7B shows the result of the transient response characteristic analysis when the optical scanning device described above is started. FIG. 7B shows a change with time and a displacement in a direction (hereinafter referred to as “vertical direction”) perpendicular to the surface of the
また、図7(b)の結果を分析すると少なくとも2つ以上の周波数成分が含まれていることがわかる。一つは駆動周波数に相当する高周波数成分の正弦波であり、その他は前記高周波数成分よりも低い周波数の振動である。これら少なくとも2つ以上の周波数成分が重畳されて中心点Mは不規則な変位となっている。このため、ミラー部55で反射されたレーザー光の位置は、中心点Mが上下方向に不規則に変位することにより、設計値に対し微小に変化してしまう。このように、複数の周波数成分が含まれる原因としては基板52に片持ち梁構造の自由端が存在する為、高次の周波数で駆動したときに低次の振動モードの影響を受け易いことが原因であると考えられる。また、中心点Mの上下方向に変位する振幅は小さいほうが望ましい。
この結果、この光走査装置をレーザービームプリンタ用スキャナに用いた場合、駆動周波数3kHz以上の高速走査が要求されるレーザー光の走査範囲や走査速度が安定しないか若しくは走査精度が低下するという不具合が想定される。
Moreover, when the result of FIG.7 (b) is analyzed, it turns out that at least 2 or more frequency component is contained. One is a sine wave having a high frequency component corresponding to the driving frequency, and the other is vibration having a frequency lower than that of the high frequency component. The center point M is irregularly displaced by superimposing at least two of these frequency components. For this reason, the position of the laser beam reflected by the mirror unit 55 slightly changes with respect to the design value when the center point M is irregularly displaced in the vertical direction. As described above, the cause of the inclusion of a plurality of frequency components is that the free end of the cantilever structure exists on the
As a result, when this optical scanning device is used in a scanner for a laser beam printer, there is a problem that the scanning range and scanning speed of the laser beam that requires high-speed scanning with a driving frequency of 3 kHz or more are unstable or the scanning accuracy is lowered. is assumed.
本発明は、ミラー部の中心位置の上下方向の変位が小さく、駆動周波数以外の振動成分の影響を受けにくくレーザー光の走査精度が高い光走査装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an optical scanning device in which the vertical displacement of the center position of a mirror portion is small and is not easily affected by vibration components other than the driving frequency, and the laser beam scanning accuracy is high.
基板に形成された開口部内に両側を梁部により支持されたミラー部が形成され、前記基板上に設けられた振動源を作動させて当該基板を撓ませることにより前記梁部を揺動軸として前記ミラー部を揺動させながら照射光を反射することで走査する光走査装置であって、前記基板は、前記ミラー部を支持する前記梁部を軸対称として長手方向両端部が支持部に各々固定されていることを特徴とする。 A mirror part supported on both sides by a beam part is formed in an opening formed on the substrate, and the beam part is used as an oscillation axis by operating the vibration source provided on the substrate to bend the substrate. An optical scanning device that scans by reflecting irradiation light while oscillating the mirror portion, wherein the substrate has an axial symmetry with respect to the beam portion supporting the mirror portion, and both longitudinal ends thereof are supported by the support portion, respectively. It is fixed.
また、前記梁部を中心として軸対称となる前記基板上に前記振動源が各々配置され、各振動源に交番電圧を印加して前記梁部を中心として前記基板を両側で反対方向に撓ませる動作を交互に繰り返すことにより前記ミラー部を所定の振幅で揺動させることを特徴とする。 The vibration sources are respectively arranged on the substrate that is axially symmetric with respect to the beam portion, and an alternating voltage is applied to each vibration source to bend the substrate in opposite directions around the beam portion on both sides. The mirror portion is swung with a predetermined amplitude by repeating the operation alternately.
また、前記各振動源は、前記基板の反対面側に設けられ、同一の駆動源から同相の交番電圧が印加されて駆動されることを特徴とする。 Each of the vibration sources is provided on the opposite side of the substrate and is driven by applying an in-phase alternating voltage from the same drive source.
また、前記各振動源は、前記基板の同一面側に設けられ、異なる駆動源によって位相が反転した交番電圧が印加されて駆動されることを特徴とする。 Further, each of the vibration sources is provided on the same surface side of the substrate, and is driven by applying an alternating voltage whose phase is inverted by a different driving source.
また、前記基板の両側固定端付近には、抜き孔部が前記梁部を中心として軸対称となる位置に各々形成されていることを特徴とする。 In addition, in the vicinity of the fixed ends on both sides of the substrate, punched holes are formed at positions that are axially symmetric with respect to the beam.
また、前記基板と両側固定端との連結は当該基板より幅狭な単数又は複数の基板連結部により連結されていることを特徴とする。 Further, the connection between the substrate and the fixed ends on both sides is connected by a single or a plurality of substrate connecting portions narrower than the substrate.
基板は、ミラー部を支持する梁部を軸対称として長手方向両端部が各々支持部に固定されているので、基板上に設けられた振動源を作動させると梁部を揺動軸として両側の基板を撓ませてミラー部を揺動させることができる。 Since the substrate is symmetrical with respect to the beam portion supporting the mirror portion and both ends in the longitudinal direction are fixed to the support portion, when the vibration source provided on the substrate is operated, the beam portion serves as an oscillation axis on both sides. The mirror portion can be swung by bending the substrate.
また、梁部によって軸対称となる基板上に振動源が各々配置され、梁部を中心として基板を両側で反対方向に撓ませる動作を交互に繰り返すことによりミラー部を所要の振幅で高速で揺動させることができる。このとき、梁部の両側で基板が反対方向に撓むが対称軸位置にあるミラー部の中心点は変位しない。したがって、振動源の駆動電圧を変えてミラー部を揺動させてもミラー部の中心点の上下方向の変位は小さく駆動周波数以外の振動成分の影響を受けにくいので、基板の撓みにより安定した定在波を形成して一定の振幅でミラー部を振動させることができる。また、フィードバック制御を行なうにあたっては過渡応答が安定するので、制御性が向上する。 In addition, vibration sources are arranged on the substrate that is symmetric with respect to the beam portion, and the mirror portion is swung at a required amplitude at a high speed by alternately repeating the operation of bending the substrate in opposite directions around the beam portion. Can be moved. At this time, the substrate bends in opposite directions on both sides of the beam portion, but the center point of the mirror portion at the symmetrical axis position is not displaced. Therefore, even if the mirror unit is swung by changing the drive voltage of the vibration source, the vertical displacement of the center point of the mirror unit is small and is not easily affected by vibration components other than the drive frequency. A standing wave can be formed and the mirror section can be vibrated with a constant amplitude. Further, when performing feedback control, the transient response is stabilized, so that controllability is improved.
また、各振動源は、基板の反対面側に設けられ、同一の駆動源から同相の駆動電圧が印加されて駆動されることにより、同一の駆動源により各振動源を作動することができるため、駆動源を簡略化することができる。また、正弦波駆動のみならず矩形パルス駆動も可能になるので、制御動作も簡略化することができる。 In addition, each vibration source is provided on the opposite surface side of the substrate, and is driven by applying a driving voltage having the same phase from the same driving source, so that each vibration source can be operated by the same driving source. The drive source can be simplified. Further, since not only sinusoidal driving but also rectangular pulse driving is possible, the control operation can be simplified.
また、各振動源は、基板の同一面側に設けられ、異なる駆動源によって位相が反転した駆動電圧が印加されて加振されるようにしてもよい。この場合には、駆動源は個別に必要となるが、梁部を対称軸として両側の基板を反対方向に撓ませてミラー部を揺動させることができる。 In addition, each vibration source may be provided on the same surface side of the substrate, and may be excited by applying a driving voltage whose phase is reversed by a different driving source. In this case, a separate drive source is required, but the mirror portion can be swung by bending the substrates on both sides in opposite directions with the beam portion as the axis of symmetry.
また、基板の両側固定端付近には、抜き孔部が梁部を中心として軸対称となる位置に各々形成されていると、梁部の両側の基板部を振動源の作動により撓ませ易くすることができ、ミラー部の振幅をかせぐことができる。 Also, if the punched holes are formed in the vicinity of the fixed ends on both sides of the substrate at positions that are axially symmetric with respect to the beam portion, the substrate portions on both sides of the beam portion are easily bent by the operation of the vibration source. And the amplitude of the mirror portion can be increased.
また、基板と両側固定端との連結は基板より幅狭な単数又は複数の基板連結部により連結されていると、基板の可撓性が高まるため、梁部の両側の基板全体を振動源の作動により撓ませ易くなりミラー部のより大きな振幅を実現可能になる。 In addition, if the substrate and the fixed ends on both sides are connected by a single or a plurality of substrate connecting portions that are narrower than the substrate, the flexibility of the substrate increases. It becomes easy to bend by the operation, and a larger amplitude of the mirror part can be realized.
以下、本発明に係る光学走査装置の最良の実施形態について図面を参照して説明する。本実施例では、レーザービームプリンタ用に用いられる光走査装置(スキャナー)を例示して説明するものとする。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an optical scanning device according to an embodiment of the invention will be described with reference to the drawings. In this embodiment, an optical scanning device (scanner) used for a laser beam printer will be described as an example.
図1を参照して光走査装置の概略構成について説明する。
基板1は金属板(ステンレススチール;SUS304)若しくはシリコン基板(Si)などの矩形基板が好適に用いられる。基板1の長手方向中央部には開口部(貫通孔)2が設けられている。この開口部2の中心部に梁部3が形成されて中央部にミラー部4が一体に支持されている。梁部3は、基板1の対称軸となる位置に形成されている。基板1は、ミラー部4を支持する梁部3を軸対称として長手方向両端部が各々支持部5に固定されている。
A schematic configuration of the optical scanning device will be described with reference to FIG.
The
また、基板1上であって梁部3によって軸対称となる位置に振動源6が各々配置されている。本実施例では、振動源6が基板1の振動の腹部へ形成された図を示したが、振動の節部でも良い。さらに、振動源6として圧電素子(PZT;チタン酸ジルコン酸鉛)が用いられている。
In addition,
ここで、ミラー部4の振動原理について具体的に説明すると、たとえば圧電素子の表層側電極にプラスの電圧を印加すると圧電層が延びるため、図2(a)に示すように基板1は上下に凸となるように撓む。また、圧電素子の表層側電極にマイナスの電圧を印加すると圧電層は縮むため、図2(b)に示すように基板1は上下に凹となるように撓む。このとき、基板1に発生した定在波は、梁部3により支持された水平状態にあるミラー部4に、梁部3の捻れによる回転モーメントを発生させて、捻れ振動を生じさせる。
Here, the vibration principle of the
また、各振動源6に交番電圧を印加して梁部3の両側の基板1を反対方向に撓ませる動作を交互に繰り返すことによりミラー部4を所要の振幅で揺動させる。上記梁部3を捻れ軸としてミラー部4を所定の振幅で揺動させた状態でミラー部4へレーザー光Lを光照射することで、反射光(レーザービーム)を走査することができるようになっている。
Further, by alternately applying an alternating voltage to each
本実施例は、各振動源6が、基板1の反対面側に設けられ、図示しない同一の駆動源から同相の駆動電圧で各々駆動される。これにより、駆動源や制御回路を簡略化することができる。また、正弦波駆動のみならず矩形波駆動も可能であるので、制御動作も簡略化することができる。
尚、各振動源6は、基板6の同一面側に設けられ、異なる駆動源によって位相が反転した駆動電圧が印加されて駆動されるようにしてもよい。
In this embodiment, each
Each
また、振動源6としては、圧電素子のほかに、圧電体、磁歪体又は永久磁石体のいずれかが基板上に膜状に直接形成されていてもよい。成膜法としては、例えばエアロゾルデポジション法(AD法)、真空蒸着法、スパッタリング法や化学的気相成長法(CVD: Chemical Vapor Deposition)、ゾル−ゲル法などの薄膜形成技術を用いて、圧電体、磁歪体又は永久磁石体のいずれかが基板上に膜状に直接形成されていると、低電圧駆動で低消費電力の光走査装置を提供できる。
Further, as the
磁歪体や永久磁石体を用いる場合、外部から印加する交番磁界は、上記磁歪膜、永久磁石膜が形成された基板部近傍に設けられたコイルに交流電流を流すことで交番磁界を発生させる。尚、磁歪膜や永久磁石膜で基板に形成する場合、基板材料は非磁性材料である方が、より効率的に撓みを発生することができる。 When a magnetostrictive body or a permanent magnet body is used, an alternating magnetic field applied from the outside generates an alternating magnetic field by passing an alternating current through a coil provided in the vicinity of the substrate portion on which the magnetostrictive film and the permanent magnet film are formed. In addition, when forming on a board | substrate with a magnetostriction film | membrane or a permanent magnet film, the direction where a board | substrate material is a nonmagnetic material can generate | occur | produce bending more efficiently.
上述した光学走査装置の過渡応答特性解析をした結果を、図3(b)に示す。図3(b)は、時間変化と、ミラー部4の中心点Mの位置(図3(a)参照)における基板1の面に対して鉛直な方向(以下、“上下方向”とする)の変位との関係を示す。
FIG. 3B shows the result of the transient response characteristic analysis of the optical scanning device described above. FIG. 3B shows a change in time and a direction perpendicular to the surface of the
図3(b)において、梁部3の両側で基板1が反対方向に撓むが、梁部3が対称軸位置にあるため中心点Mは上下方向へ不規則な変化が非常に小さい。図7(b)と比較しても低周波数成分が大幅に低減し、振幅自体も小さくなっていることが分かる。したがって、振動源6の駆動電圧を変えてミラー部4を揺動させても揺動軸の中心点Mの上下方向の変位が小さく駆動周波数以外の振動成分の影響を受けにくいので、駆動周波数に相当する高周波数成分の正弦波に非常に近い安定した定在波を形成して一定の振幅でミラー部4を振動させることができる。また、フィードバック制御を行なうにあたって過渡応答が安定し、制御性が向上する。
また、図7(b)と比較すると低周波数成分が無く、設計上極めて有利であることがわかる。
In FIG. 3B, the
Further, it can be seen that there is no low frequency component compared to FIG.
また、基板1の両側を支持部5に固定したことにより基板1の所期の撓み量が得られないことも想定される。そこで、図4(a)(b)において、基板1の両側固定端(支持部5)付近には、抜き孔部7が軸対称に形成されている。図4(a)は、基板1に端部近傍に抜き孔部7が形成されており、支持部5とは基板短手方向全体で支持されている。また図4(b)は、基板1の端部に抜き孔部7が形成されており、支持部5とは基板短手方向で基板1より幅狭な基板連結部8によって3箇所で支持されている。このように、基板1の両側固定端付近に、抜き孔部7が軸対称に形成されているので、梁部3の両側の基板部を振動源6の作動により撓ませ易くすることができ、ミラー部4の振幅をかせぐことができる。
It is also assumed that the desired amount of bending of the
また、図4(c)において、基板1と両側固定端(支持部5)との接続は単数(又は複数)の基板連結部8により連結されていてもよい。この場合には、基板1の可撓性が高まるため、梁部3の両側の基板全体を振動源6の作動により撓ませ易くなりミラー部4のより大きな振幅を実現可能になる。この場合、基板連結部8の長手方向延長線上に振動源6を設けることにより振動伝達性が良く、梁部3の両側で均一な基板1の撓みによる定在波を形成するうえで好ましい。
Further, in FIG. 4C, the connection between the
尚、ミラー部4は、基板1に金属板を使用する場合には鏡面仕上げされた基板1を用いると良い。金属板以外の基板や、金属板においてもより高い反射性能が要求され場合には、真空蒸着、スパッタリング、CVD(化学的気相成長法)等の薄膜形成技術により、ミラー部4へ薄膜を形成するか、或いはミラー部4へ別途ミラー用反射材料を貼付けてもよい。
The
また、薄膜を形成する材料には、金(Au)、二酸化ケイ素(SiO2)、アルミニウム(Al)、あるいはフッ化マグネシウム(MgF2)から1つを選択、或いは2つ以上の材料を組み合わせ、さらに前記薄膜成形技術による同一層(=単層)、或いは2層以上の多層構成を適度な膜厚に制御することによって、反射性能を向上する薄膜が形成できる。あるいは、ミラー部4へ別途ミラー用反射材を貼付ける材料には、鏡面仕上げしたシリコン(Si)またはアルミナチタンカーバイト(Al2O3-TiC)のセラミック等へ、前記薄膜成形技術にて薄膜を形成しても良い。
In addition, the material for forming the thin film is selected from gold (Au), silicon dioxide (SiO 2 ), aluminum (Al), or magnesium fluoride (MgF 2 ), or a combination of two or more materials. Furthermore, by controlling the same layer (= single layer) or a multilayer structure of two or more layers by the thin film forming technique to an appropriate film thickness, a thin film that improves reflection performance can be formed. Alternatively, as a material for separately attaching a reflector for mirror to the
また、基板1の厚みに関しては、動作中のミラーの平坦性やプロジェクターデバイスなどへの応用で要求されるミラーサイズを考慮し、シリコン(Si)、ステンレススチール(SUS304等)等の、或いはさらにカーボンナノチューブを前記材料へ成長させた基板を想定すると、少なくとも10μm以上の厚みが望ましい。
Regarding the thickness of the
また、振動源6である圧電素子を設けた場合に、駆動電圧を印加するための配線接続する必要がある。この基板配線例を図5及び図6を参照して説明する。
図5(a)(b)において、基板1の梁部3を対称軸として対称位置に反対面側に設けられた振動源6に対して、固定端である両側支持部5から直線的にフレキシブルケーブル9が設けられている。フレキシブル配線部9は、図5(c)に示すようにポリイミド材などの絶縁層9bに、金めっき,銅めっき,有機EL層などの導電層9aが挟み込まれて積層されたものが用いられる。
Further, when a piezoelectric element that is the
5 (a) and 5 (b), it is linearly flexible from both
また、図6(a)(b)において、基板1が梁部3を対称軸として両側に設けられた振動源6によって撓むことを考慮すると、基板上に貼付けられたフレキシブル配線部9も撓むことから、導電層9aの接続信頼性が求められる。よって、基板1が撓んでも特定個所に応力集中がおこり難いように配線路を直線的ではなく曲げて形成することにより、導電層9aの接続信頼性を維持しようとするものである。
6A and 6B, considering that the
例えば、図6(a)に示すように、ミラー部4の中心点Mに対して点対状となる位置に基板1の長手方向両端に沿ってL字状に振動源6に各々配線接続してもよいし、図6(b)に示すようにクランク形状に各振動源6各々配線接続するようにしてもよい。
For example, as shown in FIG. 6A, wiring connection is made to the
尚、図4(a)〜(c)において、基板1に抜き孔部7が形成され、基板連結部8が形成される場合には、抜き孔部7を回避した基板面若しくは基板連結部8を利用して配線接続することが望ましい。また、フレキシブル配線部9は、予めケーブル状に形成されたものを基板面に固着してもよいし、基板上にパターン形成して一体につくり込んでもよい。
また、図示しないが、配線接続の態様については振動源と電源部を直接配線接続する仕様であっても良い。
4A to 4C, when the
Although not shown, the wiring connection mode may be a specification in which the vibration source and the power supply unit are directly connected by wiring.
1 基板
2 開口部
3 梁部
4 ミラー部
5 支持部
6 振動源
7 抜き孔部
8 基板連結部
9 フレキシブル配線部
9a 導電層
9b 絶縁層
L レーザー光
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記基板は、前記ミラー部を支持する前記梁部を軸対称として長手方向両端部が支持部に各々固定されていることを特徴とする光走査装置。 A mirror part supported on both sides by a beam part is formed in an opening formed on the substrate, and the beam part is used as an oscillation axis by operating the vibration source provided on the substrate to bend the substrate. An optical scanning device that scans by reflecting irradiation light while swinging the mirror part,
The optical scanning device according to claim 1, wherein both ends of the substrate in the longitudinal direction are fixed to a support portion with the beam portion supporting the mirror portion being axially symmetrical.
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