JP2006313216A - 揺動体装置、およびそれを用いた光偏向器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】共振型光偏向器などを構成する揺動体装置は、揺動体101を略所定の回転軸周りに中立位置を中心とする範囲で回転可能に支持する支持手段102、103と、揺動体101を中立位置に戻す方向に復元トルクTを発生する復元トルク発生手段102、104、105、108と、揺動体101を回転軸周りに中立位置を中心に回転して振動する様に駆動する駆動手段106、107、108を有する。復元トルクTが、揺動体101の中立位置からの変位角θに対して単調減少し、かつ変位角θの絶対値が大きくなるとdT/dθが小さくなる非線形特性を有する。
【選択図】 図1
Description
I・d2θ/dt2=T(θ) (式1)
となる。図11(A)、(B)は、それぞれ、式1の運動方程式を満たすθ(t)、dθ(t)/dtを時間tに対してプロットしたものである。図11より、変位角θの絶対値が小さな中立位置付近では、復元トルクTが相対的に小さいため角速度変動(dθ/dtの変化)が少なくなり、また、変位角θの絶対値が大きい領域では、復元トルクTが相対的に大きくなるため角速度変動(dθ/dtの変化)が大きくなる様子が見て取れる。従って、復元トルクTに上記した様な非線形特性を持たせることで、揺動体装置の回転角速度を所望するように補正できることが分かる。
Tm=HMsinθ (式2)
で表される(図13(A)参照)。ここで、Mは可動永久磁石907の磁気モーメントである(この種のトルクは、磁気モーメント以外でも発生可能である)。
Ts=−kθ (式3)
で表される(図13(B)参照)。ここで、kはトーションバー906のねじりのバネ定数である(この種のトルクは、ねじり力以外でも発生可能である)。
T(θ)=Tm+Ts=−kθ+HMsinθ (式4)
となる(図13(C)参照)。これより、復元トルクTは、変位角θの関数であり、変位角θに対して単調減少し、変位角θの絶対値が大きくなるとdT/dθが小さくなる非線形特性を持っていることが分かる。つまり、この復元トルクTは、変位角が大きくなるとバネ定数が大きくなるようなトーションバー、弾性バネなどのバネと等価な性質を持つことが読み取れる。また、式4より分かるように、静磁界Hを変化させることで、復元トルクTの非線形特性を制御することが可能になる。もちろん、バネ定数kを変化させても特性曲線を制御することができる。これらの設計は、所望する回転振動の周期、周波数、振幅、三角波駆動への接近程度などに応じて行えばよい。
図1(A)は、実施例1の共振型光偏向器の上面図、図1(B)はA−A’における断面図を表している。図1において、101は揺動体である偏向ミラー、102は偏向ミラーを支えるトーションバー(ここでは偏向ミラー101の両側に2つ用いているが、片側に1つ用いるのみでもよい)、103は支持部(トーションバー102と共に、偏向ミラー101を回転可能に支持する支持手段を構成する)、104は磁性材料からなる磁極、105は固定永久磁石、106は駆動コイル、107は磁性材料からなるコイル用磁心、108は偏向ミラーに着けられた可動永久磁石、110は基台、111はスペーサである。101〜103の要素は単結晶シリコン基盤をエッチングすることで一体に形成されており、偏向ミラー101の表面には光反射膜がコーティングされている。また、基台110とスペーサ111も金属材料から一体に形成されている。可動永久磁石108と固定永久磁石105は、N極とS極が図1中で示した方向になるように磁化されている。すなわち、可動永久磁石108はトーションバー102の回転軸を規定するねじりの軸に略直交し且つ揺動体の面に略平行な方向に磁化されており、固定永久磁石105により発生する磁界は、可動永久磁石108の磁化方向と略平行で向きが逆である。
図4(A)、(B)は、それぞれ実施例2の共振型光偏向器の上面図と正面図を表している。図4において、201は偏向ミラー、202は偏向ミラーを支えるトーションバー、203は支持部、204は磁性材料からなる磁極、206A、206Bは静磁界発生コイル、210は基台である。220は加振アクチュエータであり、変形部材221と積層型圧電素子222A、222Bから構成されている。201〜203の要素は単結晶シリコン基盤をエッチングすることで一体に形成されており、偏向ミラー201の表面には光反射膜がコーティングされている。実施例1と同様に、偏向ミラー201の裏側には、可動永久磁石が配置されている(図4では不図示)。
実施例1及び実施例2では、揺動体をトーションバーのねじりの軸の周りで回転振動させていたが、揺動体を弾性体からなるカンチレバー式揺動体として、この振動体を固定端付近の根元部の撓みで回転振動させることもできる。図6は、こうした構成の実施例3の共振型光偏向器を示す断面図である。本実施例を示す図6において、501はカンチレバー式振動体である偏向ミラー、506は駆動コイル、508は偏向ミラーに着けられた可動永久磁石、510は基台、511は偏向ミラーの一端部を固定・支持するスペーサである。この構成では、復元トルク発生手段が、偏向ミラー501と一体に動くように取り付けられた可動永久磁石508と、可動永久磁石508に対して静磁界191を発生する静磁界発生手段と、支持手段の一部を構成する偏向ミラー501の固定端付近の撓み可能な根元部501aからなる。また、可動永久磁石508は、回転軸を規定するこの根元部501aの伸長方向(図6紙面に垂直な方向)に略直交し且つ偏向ミラー501の面に略平行な方向に磁化されており、静磁界発生手段の発生する磁界191は、可動永久磁石508の磁化方向と略平行で向きが逆である。
図7は、本発明の共振型光偏向器を用いた実施例4の光走査型ディスプレイを説明するための概略図である。レーザー光源303から射出されたレーザー光310は、本発明の第1光偏向器301で水平方向に走査され、次に第2光偏向器302で垂直方向に走査されて、スクリーン320上に画像を形成する。光偏向器301、302の駆動とレーザー光源303の変調発振は、制御装置304により同期して制御される。すなわち、制御装置304は、光源303を画像信号に基づいて変調する光源変調手段と、この光源変調手段と光偏向器301、302を制御する制御手段を含んでいる。
102、202、902、906 トーションバー(支持手段、復元トルク発生手段)
103、203 支持部(支持手段)
104、204 磁極(復元トルク発生手段)
105 固定永久磁石(復元トルク発生手段)
106、506 駆動コイル(駆動手段)
107 コイル用磁心(駆動手段)
108、208、508、907 可動永久磁石(駆動手段、復元トルク発生手段)
191、908 静磁界H(復元トルク発生手段)
206A、206B 静磁界発生コイル(復元トルク発生手段)
220 加振アクチュエータ(駆動手段)
221 変形部材(駆動手段)
222A、222B 積層型圧電素子(駆動手段)
301 第1光偏向器(本発明の揺動体装置)
303 光源(レーザー光源)
304 制御装置(制御手段、光源変調手段)
506a 揺動体の根元部(支持手段、復元トルク発生手段)
Claims (10)
- 揺動体を略所定の回転軸周りに中立位置を中心とする範囲で回転可能に支持する支持手段と、揺動体を中立位置に戻す方向に復元トルクTを発生する復元トルク発生手段と、揺動体を回転軸周りに中立位置を中心に回転して振動する様に駆動する駆動手段を有し、該復元トルクTが、揺動体の中立位置からの変位角θに対して単調減少し、かつ変位角θの絶対値が大きくなるとdT/dθが小さくなる非線形特性を有することを特徴とする揺動体装置。
- 前記復元トルク発生手段が、前記揺動体と一体に動くように取り付けられた可動永久磁石と、可動永久磁石に対して静磁界を発生する静磁界発生手段と、前記揺動体に取り付けられた前記支持手段を構成するトーションバーからなり、可動永久磁石は、トーションバーの前記回転軸を規定するねじりの軸に略直交し且つ揺動体の面に略平行な方向に磁化されており、静磁界発生手段の発生する磁界は、可動永久磁石の磁化方向と略平行で向きが逆であることを特徴とする請求項1に記載の揺動体装置。
- 前記揺動体がカンチレバー式に回転して振動する弾性体の揺動体であり、前記復元トルク発生手段が、前記揺動体と一体に動くように取り付けられた可動永久磁石と、可動永久磁石に対して静磁界を発生する静磁界発生手段と、前記支持手段を構成する揺動体の固定端付近の撓み可能な根元部からなり、可動永久磁石は、前記回転軸を規定する根元部の伸長方向に略直交し且つ揺動体の面に略平行な方向に磁化されており、静磁界発生手段の発生する磁界は、可動永久磁石の磁化方向と略平行で向きが逆であることを特徴とする請求項1に記載の揺動体装置。
- 前記静磁界発生手段が、永久磁石を有することを特徴とする請求項2または3に記載の揺動体装置。
- 前記静磁界発生手段が、コイルを有することを特徴とする請求項2または3に記載の揺動体装置。
- 前記駆動手段が、前記可動永久磁石に対して磁化方向に略垂直に交番磁界を印加する交番磁界発生手段を有することを特徴とする請求項2乃至5のいずれかに記載の揺動体装置。
- 前記駆動手段が圧電素子を有することを特徴とする請求項2乃至5のいずれかに記載の揺動体装置。
- 前記駆動手段が、前記揺動体を前記回転軸周りに加振する加振手段であり、共振型揺動体装置を構成可能であることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の揺動体装置。
- 前記揺動体が偏向ミラーであり、光偏向器を構成することを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の揺動体装置。
- 光源と、光源を変調する光源変調手段と、請求項9に記載の光偏向器と、光源変調手段と光偏向器を制御する制御手段を有することを特徴とする画像形成装置。
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