WO2013005527A1

WO2013005527A1 - 光走査装置、画像表示装置および光走査方法

Info

Publication number: WO2013005527A1
Application number: PCT/JP2012/064800
Authority: WO
Inventors: 本田　雄士; 賢司田上; 高梨　伸彰
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2013-01-10
Also published as: CN103582840A; US20140118809A1; JPWO2013005527A1

Abstract

　駆動効率が低いという問題を解決することが可能な光走査装置を提供する。　１対の連結部１２は、光を反射する反射面を備えた可動ミラー部１１の両端をそれぞれ支持部１３に連結する。また、各連結部１２は、永久磁石を備えた磁石部２１と、磁石部２１を支持部１３に対して振動可能に連結する第１のバネ部２２と、可動ミラー部１１を磁石部２１に対して振動可能に連結する第２のバネ部２３を有する。そして、駆動部１４は、磁石部２１に対して作用する磁場を発生させて、磁石部２１を振動させることにより、可動ミラー部１１を振動させる。

Description

光走査装置、画像表示装置および光走査方法

　本発明は、光走査装置、画像表示装置および光走査方法に関する。

　光をミラーで走査する光走査装置は、デジタル複写機、レーザプリンタ、バーコードリーダ、スキャナおよびプロジェクタなどで広く利用されている。光走査装置としては、従来、モータによってポリゴンミラーやガルバノミラーを回転させるものが主流であったが、近年では、微細加工技術の発展に伴って、ＭＥＭＳ（Micro　Electro　Mechanical　Systems）を利用したものが注目されている。

　ＭＥＭＳを利用した光走査装置としては、ミラーと磁石とが備わった可動部の両端が弾性材料で形成された連結部で支持され、磁石に磁場を作用させることによって、連結部を軸として可動部を振動させて、光を走査しているものがある。このような光走査装置では、モータによってポリゴンミラーやガルバノミラーを回転させるものとは異なり、モータなどの機械的な駆動機構が必要ないため、構造が簡単であり、小型化や低コスト化を図ることができる（特許文献１参照）。

特開２００５－１７３４１１号公報

　しかしながら、上記の光走査装置では、可動部にミラーおよび磁石が備わっているため、可動部の慣性モーメントが大きい。このため、可動部を振動させるために大きな駆動力が必要となり、可動部を駆動する駆動効率が低いという問題がある。

　本発明の目的は、上記の課題である、駆動効率が低いという問題を解決することが可能な光走査装置、画像表示装置および光走査方法を提供することにある。

　本発明による光走査装置は、支持部と、光を反射する反射面を備えた可動部と、前記可動部の両端をそれぞれ前記支持部に連結する１対の連結部と、前記可動部を振動させる駆動部と、を有し、各連結部は、永久磁石と、前記永久磁石を前記支持部に対して振動可能に連結する第１の弾性体部と、前記可動部を前記永久磁石に対して振動可能に連結する第２の弾性体部と、を有し、前記駆動部は、前記永久磁石に対して作用する磁場を発生させて、前記永久磁石を振動させることにより、前記可動部を振動させる。

　本発明による画像表示装置は、前記光走査装置を有する。

　本発明による光走査方法は、光を反射する反射面を備えた可動部と、永久磁石と、前記永久磁石と可動部を連結する弾性体部とを有する光走査素子による光走査方法であって、前記永久磁石に作用する磁場を発生させて、前記永久磁石を振動させ、当該永久磁石の振動を前記弾性体部を介して前記可動部に伝えることで、前記可動部を振動させ、前記可動部の反射面に光を入射させる。

　本発明によれば、駆動効率を向上させることが可能になる。

本発明の第１の実施形態の光走査装置の上面図である。本発明の第１の実施形態の光走査装置の一部を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態の光走査装置の断面図である。可動ミラー部が可動している状態の一例を示す図である。可動ミラー部が可動している状態の他の例を示す図である。コイルに印加する交流電流の周波数である駆動周波数と可動ミラー部の傾き角との関係を示す図である。光走査装置を用いた画像表示装置の一例を示す図である。本発明の第２の実施形態の光走査装置の上面図である。本発明の第２の実施形態の光走査装置の断面図である。本発明の第３の実施形態の光走査装置の上面図である。第１のバネ部の振動モードの一例を説明するための図である。本発明の第４の実施形態の光走査装置の上面図である。

　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。

　図１は、本発明の第１の実施形態の光走査装置の上面図であり、図２は、図１に示す光走査装置の一部を示す斜視図である。

　図１に示すように、本実施形態の光走査装置１は、可動ミラー部１１と、１対の連結部１２と、１対の支持部１３と、１対の駆動部１４とを有する。

　可動ミラー部１１は、光を反射する反射面を備え、その反射面を用いて光を走査する可動部である。より具体的には、可動ミラー部１１は、図２に示すように、光を反射する反射面１０１を備えたミラー１０２と、ミラー１０２が嵌め込まれるミラー枠部１０３とを有する。

　ミラー１０２は、反射面１０１が露出するようにミラー枠部１０３に嵌め込まれ、接着材などによって磁石枠部２０２Ｂに固定されている。反射面１０１およびミラー１０２は、楕円形状に形成されている。なお、ミラー１０２の寸法としては、一例として、反射面１０１の長軸の長さであるミラー長が６ｍｍ、反射面１０１の短軸の長さであるミラー幅が３ｍｍ、厚さが０．３ｍｍである。

　１対の連結部１２は、可動ミラー部１１の両端をそれぞれ支持部１３に連結する。より具体的には、１対の連結部１２は、互いに対向するように可動ミラー部１１の両端に接続され、さらに、ミラー１０２の短軸方向に支持部１３に接続されるまで延在している。なお、支持部１３は、ミラー１０２の短軸方向または長軸方向のどちらに接続されてもよいが、短軸方向に接続するほうがより駆動率を向上させることができる。

　また、各連結部１２は、磁石部２１と、第１のバネ部２２と、第２のバネ部とを有する。

　磁石部２１は、永久磁石を備えている。より具体的には、磁石部２１は、図２に示すように、永久磁石２０１と、永久磁石２０１が嵌め込まれる磁石枠部２０２とを有する。永久磁石２０１は、その磁化方向が連結部１２の延在方向に垂直または略垂直になるように磁石枠部２０２に嵌め込まれ、接着剤などを用いて磁石枠部２０２Ｂに固定されている。

　第１のバネ部２２は、ミラー１０２の短軸方向に延在し、磁石部２１を支持部１３に対して振動可能に連結する第１の弾性体部である。第２のバネ部２３は、第１のバネ部２２と同じ方向、つまり、ミラー１０２の短軸方向に延在し、可動ミラー部１１を磁石部２１に対して振動可能に連結する第２の弾性体部である。

　なお、磁石部２１を支持部１３に連結する部材や、可動ミラー部１１を磁石に連結する部材は、バネに限らず、弾性体であればよい。

　また、第１のバネ部２２は、永久磁石２０１および支持部１３に接続された複数の弾性体が並列に並んだ構成でもよい。図１に示した第１のバネ部２２は、上記のような弾性体である２本のバネ（バネＢ１およびＢ２）有している。

　各駆動部１４は、各連結部１２の磁石部２１を囲むように設けられ、その囲んだ磁石部２１に磁場を作用させて、ミラー１０２の短軸方向を振動軸Ｘとして可動ミラー部１１を振動させる。

　図３は、駆動部１４の構成をより詳細に説明するための図であり、図１に示した光走査装置１のＡ－Ａ’線に沿った断面を示している。

　駆動部１４は、磁気回路であるヨーク部３０と、ヨーク部３０に巻かれたコイル３４とを有する。

　ヨーク部３０は、磁気的に結合された３つの部分（ヨーク３１～３３）から構成される。

　ヨーク３１は、永久磁石２０１の極の一方の近傍に端部３１Ａを有し、ヨーク３２は、永久磁石２０１の極の他方の近傍に、永久磁石２０１を挟んで端部３２Ａと対向する端部３２Ａを有する。ヨーク３３は、永久磁石の磁化方向に直交する方向（より具体的には、永久磁石２０１の下面の近傍）に端部３３Ａを有する。コイル３４は、ヨーク３３に巻かれている。

　コイル３４は、導通されると、ヨーク部３０を励磁して、永久磁石２０１に作用する磁場を発生させる。なお、本実施形態では、コイル３４は、端部３１Ａおよび３２Ａの磁極と端部３３Ａの磁極とが互いに異なるように、ヨーク３３に巻かれている。

　以上のように構成された光走査装置１において、コイル３４が導通すると、ヨーク部３０内に磁束が発生し、各ヨーク３１～３３の端部３１Ａ～３３Ａに磁極が発生する。このとき、上述したように、端部３１Ａおよび３２Ａと、端部３３Ａとには互いに異なる磁極が形成されるので、端部３１Ａと端部３３Ａとの間、端部３２Ａと端部３３Ａとの間のそれぞれに磁場が発生する。

　例えば、コイルの第１の方向に電流が流れた場合、図４に示すように、端部３１Ａおよび３２ＡにＮ極が発生し、端部３３ＡにＳ極が発生したとする。この場合、端部３１Ａおよび３２Ａのそれぞれから端部３３Ａの方向への磁場が発生する。この磁場が永久磁石２０１に作用して、永久磁石２０１のＳ極が端部３３のＮ極と引き合い、永久磁石２０１が接着された磁石部２１を図の左側に傾ける。

　また、コイル３４に第１の方向とは反対の第２の方向に電流が流れた場合、図５に示すように、端部３１Ａおよび３２ＡにＳ極が発生し、端部３３ＡにＮ極が発生する。この場合、端部３３から端部３１Ａおよび３２Ａのそれぞれの方向への磁場が発生する。この磁場が永久磁石２０１に作用して、永久磁石２０１のＮ極が端部３３のＳ極と引き合い、永久磁石２０１が接着された磁石部２１を図の右側に傾ける。

　したがって、コイル３４に交流電流が印加されると、磁石部２１は、振動軸Ｘを中心に振動する。磁石部２１の振動は、第２のバネ部２３をねじることで可動ミラー部１１に伝わり、可動ミラー部１１も振動軸Ｘを中心に振動する。なお、交流電流の波形は、正弦波状であることが望ましい。

　このとき、可動ミラー部１１、磁石部２１、第１のバネ部２２および第２のバネ部２３からなる振動系がねじり共振を起こすように、コイル３４に交流電流が印加されると、少ない電流で可動ミラー部１１の傾き角を大きくすることができる。

　なお、上記の振動系の運動方程式は、

で与えられる。ここで、Ｉ_１は磁石部２１の慣性モーメント、２Ｉ_２は可動ミラー部１１の慣性モーメント、ｃは振動系の減衰係数、θ_１は磁石部２１の振動角、θ_２は可動ミラー部の振動角、ｋ１は第１のバネ部２２のバネ定数、ｋ２は第２のバネ部２３のバネ定数、ωはコイル３４に印加する交流電流の周波数である駆動周波数、Ｔ_ｑは磁石部２１にかかるトルクを表す。なお、各磁石部２１のコイル３４には同一の交流電流が流れるものとし、各磁石部２１の振動角θ_１や慣性モーメントＩ_１は同一であるとしている。

　上記のように可動ミラー部１１が振動すると、可動ミラー部１１は、ある角度で入射する光を、様々な方向に反射させることができる。例えば、可動ミラー部１１は、ある角度で入射する光を、図４に示すように浅い角度で反射させたり、図５に示すように深い角度で反射させたりすることが可能になる。このようにして、コイル３４に流れる電流の方向および大きさを変化させることで、走査光の角度を任意に変化させることができる。

　図６は、駆動周波数と可動ミラー部１１の傾き角との関係を示す図である。なお、図６では、本実施形態の光走査装置１（図６では、新構造）との比較例として、ミラーと磁石の両方が備わった可動ミラー部を有する光走査装置（図６では、比較構造）における動作周波数と可動部の傾き角との関係も示している。

　図６に示されたように、振動系にねじり共振が発生するように駆動周波数が設定されれば、本実施形態の光走査装置１では、比較構造の光走査装置と比べて、同一の駆動力でも可動ミラー部１１の傾き角が大きくなる。これは、永久磁石２０１を振動させることにより、第２のバネ部２３介して可動ミラー部１１を振動させるためである。このため、駆動効率を向上させることが可能になる。

　図７は、光走査装置１を用いた画像表示装置の一例を示す図である。

　図７に示すように画像表示装置は、外部から入力される映像信号に応じて変調された各色の光束を生成する光束生成装置Ｐ１と、光束生成装置Ｐ１で生成された各光束を平行光化するためのコリメート光学系Ｐ２と、平行光化された各光束を合成するための合成光学系Ｐ３と、を有している。また、画像表示装置は、合成光学系Ｐ３で合成された光束を画像表示するために水平方向に走査する水平走査部Ｐ４と、水平走査部Ｐ４で水平方向に走査された光束を垂直方向に走査する垂直走査部Ｐ５と、水平方向と垂直方向走査された光束をスクリーン上に出射するための光学系（図示せず）と、を備えている。本実施形態の光走査装置１は、水平走査部Ｐ４の走査ミラーＰ４１として画像表示装置に組み込まれる。

　光束生成装置Ｐ１は、映像信号が入力され、その入力信号に基づいて画像を構成するための要素となる信号を発生させるとともに、水平走査部で使用される水平同期信号と、垂直走査部で使用される垂直同期信号とをそれぞれ出力する信号処理回路を有している。この信号処理回路において、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各映像信号が生成される。

　さらに光束生成装置Ｐ１は、信号処理回路から出力される３つの映像信号（Ｒ，Ｇ，Ｂ）をそれぞれ光束にするための光源部Ｐ１１を有している。光源部Ｐ１１は、映像信号の各色に対して、光束を発生させるレーザＰ１２と、それを駆動するためのレーザ駆動系Ｐ１３と、を有している。各レーザとしては、半導体レーザあるいは高調波発生機構（ＳＨＧ）付き固体レーザが好適に用いられる。

　光束生成装置Ｐ１の各レーザＰ１２から出射した各色の光束は、コリメート光学系Ｐ２によってそれぞれ平行光化された後、合成光学系Ｐ３の各色に対応するダイクロイックミラーに入射される。これらの３つのダイクロイックミラーに入射した各色の光束は、波長選択的に反射または透過して合成され、水平走査部Ｐ４に出力される。

　水平走査部Ｐ４および垂直走査部Ｐ５では、水平走査部Ｐ４に入射した光束を、走査ミラーＰ４１、Ｐ５１を水平方向および垂直方向に走査することで、画像として投影する。なお、それぞれの走査ミラーＰ４１、Ｐ５１は、信号処理回路から出力される同期信号に基づいて、走査駆動回路によって駆動される。

　以上説明したように本実施形態によれば、永久磁石２０１の振動を可動ミラー部１１に伝えることにより、可動ミラー部１１を振動させるので、振動系の慣性モーメントを小さくすることが可能になり、駆動効率を向上させることが可能になる。

　次に本発明の第２の実施形態について説明する。

　図８は、本実施形態の光走査装置の上面図である。図８に示すように、本実施形態の光走査装置１Ａは、図１に示した光走査装置１と比べて、１対の駆動部１４の代わりに１対の駆動部１４Ａを有している点で異なる。

　各駆動部１４Ａは、各連結部１２の磁石部２１を囲むように設けられ、磁石部２１に磁場を作用させて、ミラー１０２の短軸方向を振動軸Ｘとして可動ミラー部１１を振動させる。

　図９は、駆動部１４Ａの構成をより詳細に説明するための図であり、図８に示した光走査装置１ＡのＢ－Ｂ’線に沿った断面を示している。

　駆動部１４Ａは、磁気回路であるヨーク部４０と、ヨーク部４０に巻かれたコイル４４とを有する。

　ヨーク部４０は、磁気的に結合された３つの部分（ヨーク４１～４３）から構成される。

　ヨーク４１は、永久磁石２０１の上面の近傍に端部４１Ａを有し、ヨーク４２は、永久磁石２０１の下面の近傍に、永久磁石２０１を挟んで端部４１Ａと対向する端部４２Ａを有する。したがって、ヨーク部４０は、永久磁石２０１の磁化方向と直交する方向に、永久磁石２０１を挟んで対向する１対の端部（端部４１Ａおよび４２Ａ）を有することになる。なお、ヨーク４３は、永久磁石２０１に近傍する端部を持たない。また、コイル４４は、ヨーク４３に巻かれている。

　コイル４４は、導通されると、ヨーク部４０を励磁して、永久磁石２０１に作用する磁場を発生させる。なお、本実施形態では、コイル４４は、端部４１Ａおよび４２Ａの磁極が互いに異なるように構成されている。

　本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、永久磁石２０１の振動を可動ミラー部１１に伝えることにより、可動ミラー部１１を振動させるので、駆動効率を向上させることが可能になる。

　また、第１の実施形態と比べて、端部４１Ａおよび４２Ａを近づけることが可能になるので、永久磁石２０１に作用させる磁場を効率良く発生させることが可能になる。

　次に本発明の第３の実施形態を説明する。

　図１０は、本実施形態の光走査装置の上面図である。図１０に示すように、本実施形態の光走査装置１Ｂは、図８に示した光走査装置１Ａと比べて、１対の連結部１２の代わりに１対の連結部１２Ａを有している点で異なる。

　１対の連結部１２Ａは、可動ミラー部１１の両端をそれぞれ支持部１３に連結する。より具体的には、１対の連結部１２Ａは、互いに対向するように可動ミラー部１１の両端に接続され、ミラー１０２の短軸方向に延在し、途中でミラー１０２の直軸方向に折り曲げられて支持部１３に接続されるまで延在している。

　また、各連結部１２Ａは、磁石部２１と、第１のバネ部２２Ａと、第２のバネ部２３とを有する。第１のバネ部２２Ａは、ミラー１０２の直軸方向に延在し、磁石部２１を支持部１３に対して振動可能に連結する第１の弾性体部である。なお、第１のバネ部２２Ａは、１本のバネで構成されている。

　図１０に示した光走査装置１Ｂでは、駆動部１４Ａのコイル４４に交流電流が流れ、磁石部２１に磁場が作用して、磁石部２１が振動軸Ｘを中心に振動すると、第２のバネ部２３をねじることで可動ミラー部１１に伝わり、可動ミラー部１１も振動軸Ｘを中心に振動する。一方、第１のバネ部２２は、振動軸Ｘ（ミラー１０２の短軸方向）と直交している方向に延在しているので、磁石部２１が振動軸Ｘを中心に振動すると第１のバネ部２２Ａは、上下に振動する。このとき、図１１に示すように、第１のバネ部２２Ａが支持部１３および磁石部２１を節とする２節モード（２^ｎｄモード）で振動するようにすることが望ましい。

　本実施形態では、第１の実施形態と同様に、永久磁石２０１の振動を可動ミラー部１１に伝えることにより、可動ミラー部１１を振動させるので、駆動効率を向上させることが可能になる。また、第１のバネ部２２Ａと第２のバネ部２３とが互いに別の方向に延在しているので、横方向（Ｘ軸方向）の長さを短くすることが可能になる。

　次に本発明の第４の実施形態を説明する。

　図１２は、本実施形態の光走査装置の上面図である。図１２に示す光走査装置１Ｃは、図１０に示した光走査装置１Ｂと比べて、第１のバネ部２２Ａの代わりに、複数のバネ部が並列に並んだ複数のバネを有する第１のバネ部２２Ｂを有している点で異なる。より具体的には、第１のバネ部２２Ｂは、上記のようなバネを２本（バネＢ３およびＢ４）有している。

　本実施形態では、第１のバネ部２２Ｂが並列に並んだ複数のバネを有しているので、第１のバネ部２２Ｂの長さを短くすることが可能になる。

　以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。

　この出願は、２０１１年７月６日に出願された日本出願特願２０１１－１５０２２７号公報を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

　１、１Ａ～１Ｃ　光走査装置
　１１　　　可動ミラー部
　１２、１２Ａ　　　連結部
　１３　　　支持部
　１４、１４Ａ　駆動部
　２１　　　磁石部
　２２、２２Ａ、２２Ｂ　　　第１のバネ部
　２３　　　第２のバネ部
　３０、４０　　　ヨーク部
　３１～３３、４１～４３　ヨーク
　３１Ａ、３２Ａ、３３Ａ、４１Ａ、４２Ａ　端部
　３４　　　コイル
　１０１　　反射面
　１０２　　ミラー
　１０３　　ミラー枠部
　２０１　　永久磁石
　２０２　　磁石枠部

Claims

　支持部と、光を反射する反射面を備えた可動部と、前記可動部の両端をそれぞれ前記支持部に連結する１対の連結部と、前記可動部を振動させる駆動部と、を有し、
　各連結部は、
　永久磁石と、
　前記永久磁石を前記支持部に対して振動可能に連結する第１の弾性体部と、
　前記可動部を前記永久磁石に対して振動可能に連結する第２の弾性体部と、を有し、
　前記駆動部は、前記永久磁石に対して作用する磁場を発生させて、前記永久磁石を振動させることにより、前記可動部を振動させる、光走査装置。
　前記駆動部は、
　ヨーク部と、
　前記ヨーク部に巻きつけられ、導通されると、前記ヨーク部を励磁して、前記磁場を発生させるコイルと、を有する請求項１に記載の光走査装置。
　前記ヨーク部は、
　前記永久磁石の磁化方向に、前記永久磁石を挟んで対向する１対の第１の端部と、
　前記永久磁石の磁化方向と直交する方向に配置された第２の端部と、を有し、
　前記コイルは、前記第１の端部および前記第２の端部に互いに異なる磁極が形成されるように、前記ヨーク部に巻きつけられている、請求項２に記載の光走査装置。
　前記ヨーク部は、前記永久磁石の磁化方向と直交する方向に、前記永久磁石を挟んで対向する１対の端部を有し、
　前記コイルは、各端部に互いに異なる磁極が形成されるように、前記ヨーク部に巻きつけられている、請求項２に記載の光走査装置。
　前記第１の弾性体部および前記第２の弾性体部は、互いに同一方向に延在している、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光走査装置。
　前記第１の弾性体部および前記第２の弾性体部は、互いに直交する方向に延在している、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光走査装置。
　前記第１の弾性体部では、前記永久磁石と前記支持部とに接続された複数の弾性体が並列に並んでいる、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光走査装置。
　前記可動部は、前記反射面を備えた楕円形状のミラーを有し、
　前記第２の弾性体部は、前記ミラーの短軸方向に延在している、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光走査装置。
　請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光走査装置を有する画像表示装置。
　光を反射する反射面を備えた可動部と、永久磁石と、前記永久磁石と可動部を連結する弾性体部とを有する光走査素子による光走査方法であって、
　前記永久磁石に作用する磁場を発生させて、前記永久磁石を振動させ、当該永久磁石の振動を前記弾性体部を介して前記可動部に伝えることで、前記可動部を振動させ、
　前記可動部の反射面に光を入射させる、光走査方法。