(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023117933
(43)【公開日】2023-08-24
(54)【発明の名称】光走査装置
(51)【国際特許分類】
G02B 26/10 20060101AFI20230817BHJP
G02B 26/12 20060101ALI20230817BHJP
F16F 15/32 20060101ALI20230817BHJP
【ＦＩ】
G02B26/10 C
G02B26/12
F16F15/32 J
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022020758
(22)【出願日】2022-02-14
(71)【出願人】
【識別番号】000006220
【氏名又は名称】ミツミ電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】山田 健介
(72)【発明者】
【氏名】西山 隆彦
(72)【発明者】
【氏名】田中 豊樹
【テーマコード（参考）】
2H045
【Ｆターム（参考）】
2H045AA03
2H045BA12
2H045DA44
(57)【要約】 （修正有）
【課題】簡単な構成により回転機構の回転を安定化可能な光走査装置を提供する。
【解決手段】本光走査装置１２０は、第１軸Ａ１周りに回転することにより、光反射面５０１により反射された光Ｌ１を第１軸と交差する方向に走査させる第１回転機構５と、第１回転機構を支持し、第２軸Ａ２周りに回転することにより、光を第２軸と交差する方向に走査させる第２回転機構１０と、第２回転機構により支持され、第２回転機構上における第２軸以外の位置に荷重を付与する第１荷重部材１５１と、第１荷重部材により荷重が付与される位置以外の位置に、高さ可変に取り付けられる複数の第２荷重部材７０と、を有し、第１回転機構５の慣性テンソルをＩＶとし、第２回転機構１０の慣性テンソルをＩＨとし、第１回転機構５による角速度をωＶとし、第２回転機構１０による角速度をωＨとした場合に、ＩＶ×ωＶ＝ＩＨ×ωＨである。
【選択図】図１
【解決手段】本光走査装置１２０は、第１軸Ａ１周りに回転することにより、光反射面５０１により反射された光Ｌ１を第１軸と交差する方向に走査させる第１回転機構５と、第１回転機構を支持し、第２軸Ａ２周りに回転することにより、光を第２軸と交差する方向に走査させる第２回転機構１０と、第２回転機構により支持され、第２回転機構上における第２軸以外の位置に荷重を付与する第１荷重部材１５１と、第１荷重部材により荷重が付与される位置以外の位置に、高さ可変に取り付けられる複数の第２荷重部材７０と、を有し、第１回転機構５の慣性テンソルをＩＶとし、第２回転機構１０の慣性テンソルをＩＨとし、第１回転機構５による角速度をωＶとし、第２回転機構１０による角速度をωＨとした場合に、ＩＶ×ωＶ＝ＩＨ×ωＨである。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光反射面を有し、第１軸周りに回転することにより、前記光反射面により反射された光を前記第１軸と交差する方向に走査させる第１回転機構と、
前記第１回転機構を支持し、第２軸周りに回転することにより、前記光を前記第２軸と交差する方向に走査させる第２回転機構と、
前記第２回転機構により支持され、前記第２回転機構上における前記第２軸以外の位置に荷重を付与する第１荷重部材と、
前記第２回転機構上において、前記第１荷重部材により前記荷重が付与される位置以外の位置に、高さ可変に取り付けられる複数の第２荷重部材と、を有し、
前記第１回転機構の慣性テンソルをＩＶ［ｋｇ・ｍ２］とし、前記第２回転機構の慣性テンソルをＩＨ［ｋｇ・ｍ２］とし、前記第１回転機構による角速度をωＶ［ｒａｄ／ｓ］とし、前記第２回転機構による角速度をωＨ［ｒａｄ／ｓ］とした場合に、ＩＶ×ωＶ＝ＩＨ×ωＨである、光走査装置。
前記第１回転機構を支持し、第２軸周りに回転することにより、前記光を前記第２軸と交差する方向に走査させる第２回転機構と、
前記第２回転機構により支持され、前記第２回転機構上における前記第２軸以外の位置に荷重を付与する第１荷重部材と、
前記第２回転機構上において、前記第１荷重部材により前記荷重が付与される位置以外の位置に、高さ可変に取り付けられる複数の第２荷重部材と、を有し、
前記第１回転機構の慣性テンソルをＩＶ［ｋｇ・ｍ２］とし、前記第２回転機構の慣性テンソルをＩＨ［ｋｇ・ｍ２］とし、前記第１回転機構による角速度をωＶ［ｒａｄ／ｓ］とし、前記第２回転機構による角速度をωＨ［ｒａｄ／ｓ］とした場合に、ＩＶ×ωＶ＝ＩＨ×ωＨである、光走査装置。
【請求項2】
前記第１軸に沿う方向をＺ方向とし、前記第２軸に沿う方向をＹ方向とし、前記第１軸および前記第２軸の両方に交差する方向をＸ方向とし、前記Ｚ方向および前記Ｙ方向における前記第２回転機構の慣性テンソルをＩＨＺＹ［ｋｇ・ｍ２］とした場合に、
前記第２回転機構による角速度をωＨＹとし、前記Ｚ方向における前記第１回転機構の慣性テンソルをＩＶｚｚ［ｋｇ・ｍ２］とし、前記第１回転機構による角速度をωＶｚ［ｒａｄ／ｓ］とすると、ＩＨｚｙ×ωＨｙ＝－ＩＶｚｚ×ωＶｚである、請求項１に記載の光走査装置。
前記第２回転機構による角速度をωＨＹとし、前記Ｚ方向における前記第１回転機構の慣性テンソルをＩＶｚｚ［ｋｇ・ｍ２］とし、前記第１回転機構による角速度をωＶｚ［ｒａｄ／ｓ］とすると、ＩＨｚｙ×ωＨｙ＝－ＩＶｚｚ×ωＶｚである、請求項１に記載の光走査装置。
【請求項3】
前記第１荷重部材は、前記第１回転機構を駆動させる駆動部を含む、請求項１または請求項２に記載の光走査装置。
【請求項4】
前記第１回転機構による角速度と、前記第２回転機構による角速度と、の比が一定になるように、前記第１回転機構または前記第２回転機構の少なくとも一方による角速度を制御する制御部を有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光走査装置。
【請求項5】
前記制御部は、前記第１回転機構および前記第２回転機構それぞれによる角速度が一定になるまでの期間に、前記第１回転機構および前記第２回転機構の少なくとも一方による角速度を制御する、請求項４に記載の光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光走査装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、回転機構を用いて光を走査させる光走査装置が知られている。このような光走査装置は、走査された光が物体により反射された光に基づいて、物体との間の距離を測定する測距装置や、走査された光により画像を投射する画像投射装置等に使用される。
【0003】
上記光走査装置には、発光素子から出射された測定光を揺動走査させる第１偏向機構と、該測定光を回転走査させる第２偏向機構と、を有する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２１－１３１２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
光走査装置では、簡単な構成により回転機構の回転を安定化させることが求められる。
【0006】
本発明は、簡単な構成により回転機構の回転を安定化可能な光走査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本光走査装置（１２０）は、光反射面（５０１）を有し、第１軸（Ａ１）周りに回転することにより、光反射面（５０１）により反射された光（Ｌ１）を第１軸（Ａ１）と交差する方向に走査させる第１回転機構（５）と、第１回転機構（５）を支持し、第２軸（Ａ２）周りに回転することにより、光（Ｌ１）を第２軸（Ａ２）と交差する方向に走査させる第２回転機構（１０）と、第２回転機構（１０）により支持され、第２回転機構（１０）上における第２軸（Ａ２）以外の位置に荷重を付与する第１荷重部材（１５１）と、第２回転機構（１０）上において、第１荷重部材（１５１）により荷重が付与される位置以外の位置に、高さ可変に取り付けられる複数の第２荷重部材（７０）と、を有し、第１回転機構（５）の慣性テンソルをＩＶ［ｋｇ・ｍ２］とし、第２回転機構（１０）の慣性テンソルをＩＨ［ｋｇ・ｍ２］とし、第１回転機構（５）による角速度をωＶ［ｒａｄ／ｓ］とし、第２回転機構（１０）による角速度をωＨ［ｒａｄ／ｓ］とした場合に、ＩＶ×ωＶ＝ＩＨ×ωＨである。
【0008】
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、簡単な構成により回転機構の回転を安定化可能な光走査装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】第１実施形態に係る光走査装置を例示する斜視図である。
【図5】ジャイロモーメントを説明する図である。
【図6】第２回転機構の回転半径方向に沿った平衡錘部材の位置調整例の図である。
【図7】第２実施形態に係る光走査装置の制御部の機能構成例のブロック図である。
【図8】第２回転機構の比較例に係るモーメント変化を示す図である。
【図9】第２回転機構の第２実施形態に係るモーメント変化例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について詳細に説明する。各図面において、同一の構成部分には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。
【0012】
以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための光走査装置を例示するものであって、本発明を以下に示す実施形態に限定するものではない。以下に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、例示することを意図したものである。また図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張している場合がある。
【0013】
以下に示す図でＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸により方向を示す場合があるが、Ｚ軸に沿うＺ方向は、実施形態に係る光走査装置が備える第１回転機構の回転軸である第１軸に沿う方向を示す。Ｙ軸に沿うＹ方向は、実施形態に係る光走査装置が備える第２回転機構の回転軸である第２軸に沿う方向を示す。Ｚ軸とＹ軸は交差する。Ｘ軸に沿うＸ方向は、Ｚ軸およびＹ軸の両方に交差する方向を示す。
【0014】
また、Ｘ方向で矢印が向いている方向を＋Ｘ方向、＋Ｘ方向の反対方向を－Ｘ方向と表記し、Ｙ方向で矢印が向いている方向を＋Ｙ方向、＋Ｙ方向の反対方向を－Ｙ方向と表記し、Ｚ方向で矢印が向いている方向を＋Ｚ方向、＋Ｚ方向の反対方向を－Ｚ方向と表記する。但し、これらは光走査装置の使用時における向きを制限するものではなく、光走査装置は任意の向きに配置可能である。
【0015】
［第１実施形態］
＜光走査装置１２０の構成例＞
図１から図４は、実施形態に係る光走査装置１２０の構成を例示する図である。図１は＋Ｚ方向側から視た光走査装置１２０の斜視図、図２は－Ｘ方向側から視た光走査装置１２０の正面図、図３は＋Ｚ方向側から視た光走査装置１２０の側面図、図４は＋Ｙ方向側から視た光走査装置１２０の上面図である。
＜光走査装置１２０の構成例＞
図１から図４は、実施形態に係る光走査装置１２０の構成を例示する図である。図１は＋Ｚ方向側から視た光走査装置１２０の斜視図、図２は－Ｘ方向側から視た光走査装置１２０の正面図、図３は＋Ｚ方向側から視た光走査装置１２０の側面図、図４は＋Ｙ方向側から視た光走査装置１２０の上面図である。
【0016】
図１から図４に示すように、光走査装置１２０は、第１回転機構５と、第２回転機構１０と、第１軸モータ１５１と、２つの柱状部材６０と、２つのスペーサ部材６１と、２つの固定ネジ部材６２と、２つの平衡錘部材７０と、を有する。
【0017】
第１回転機構５、第１軸モータ１５１および２つの平衡錘部材７０は、対象複合体２００を構成している。対象複合体２００は、第１回転機構５、第１軸モータ１５１および２つの平衡錘部材７０の各構成部の重心および慣性主軸等の力学的性質が合成された力学的性質を有する複合体を意味する。なお、第１回転機構５、第１軸モータ１５１および２つの平衡錘部材７０以外の構成部をさらに含んでもよい。
【0018】
第１回転機構５は、ポリゴンミラー５０と、回転軸部材５１と、軸受け部材５２と、モータ取付板５３と、を有し、ポリゴンミラー５０を第１軸Ａ１周りに回転させる。
【0019】
ポリゴンミラー５０は、第１軸Ａ１方向から視た平面視形状が略八角形状であり、第１軸Ａ１に沿う８つの光反射面５０１を有する回転多面体である。ポリゴンミラー５０は、第１軸Ａ１周りに回転することにより、光反射面５０１に入射する光を第１軸Ａ１と交差する方向に走査させる。本実施形態に係るポリゴンミラー５０は、一例として、＋Ｙ方向からＹ軸に沿って入射するレーザ光Ｌ１を第１軸Ａ１と交差する方向に走査させる。走査レーザ光Ｌ２は走査される光を表している。なお、ポリゴンミラー５０が有する光反射面５０１の数は、８つに限定されるものではなく任意の数であってよいし、上記平面視形状は光反射面５０１の数に応じて適宜変更可能である。
【0020】
回転軸部材５１は、第１軸Ａ１近傍においてポリゴンミラー５０に結合し、ポリゴンミラー５０と一体に第１軸Ａ１周りに回転可能な軸心部材である。軸受け部材５２は、回転軸部材５１を回転可能に支持する軸受けを含む部材である。モータ取付板５３は、第１軸モータ１５１が取り付けられる板状部材である。
【0021】
第２回転機構１０は、ベース板１の＋Ｙ方向側の面上に固定され、第２軸Ａ２に略直交する載置面１０１を第２軸Ａ２周りに回転させる回転機構の一例である。第２回転機構１０は、載置面１０１上に第１回転機構５がネジ部材等によって固定されることにより、第１回転機構５を支持している。第２軸Ａ２は、重力方向に沿っている。また、第２軸Ａ２は、ポリゴンミラー５０の光反射面５０１に入射するレーザ光Ｌ１の光軸に略一致している。第２回転機構１０は、載置面１０１を第２軸Ａ２周りに回転させることにより、光反射面５０１により反射された走査レーザ光Ｌ２を第２軸Ａ２周りに走査させ、第２軸Ａ２に交差する方向に走査させることができる。
【0022】
第１軸モータ１５１は、回転軸部材５１を介して第１軸Ａ１周りにポリゴンミラー５０を回転駆動させるＤＣ（Direct Current）モータまたはＡＣ（Alternating Current）モータ等の駆動部である。本実施形態では、第１軸モータ１５１は、モータ取付板５３を介して第２回転機構１０により支持されている。また、図２および図４に示すように、第１軸モータ１５１は、レーザ光Ｌ１の光軸と第２軸Ａ２とを略一致させるために、第２軸Ａ２が載置面１０１に交わる交差位置Ａ２０に対して－Ｚ方向側にずれ、かつ＋Ｘ方向側にずれた位置にその重心が位置するように配置されている。交差位置Ａ２０は、第２軸Ａ２の位置に対応し、第２回転機構１０における交差位置Ａ２０以外の位置は、第２軸Ａ２以外の位置に対応する。
【0023】
第１軸モータ１５１は、第２回転機構１０により支持され、第２回転機構１０上における第２軸Ａ２以外の位置に荷重を付与する第１荷重部材に対応する。また、第１軸モータ１５１は、第１回転機構５を駆動させる駆動部に対応する。第１軸モータ１５１および第１回転機構５は、その質量、並びにその三次元的な位置に応じ、第２回転機構１０の回転に伴って発生する遠心力等によって、第２回転機構１０に荷重を付与する。第１軸モータ１５１は、その重心が第２軸Ａ２に一致しなければ、第１軸モータ１５１の一部が第２軸Ａ２と重なっていてもよい。
【0024】
２つの柱状部材６０は、載置面１０１に設けられる複数の柱状部材の一例である。本実施形態では、２つの柱状部材６０は、第１柱状部材６０ａと、第２柱状部材６０ｂと、を含む。第１柱状部材６０ａおよび第２柱状部材６０ｂは、それぞれ重力方向を略軸方向とする円柱状部材であり、載置面１０１上の重力方向と交差する方向における異なる位置に、ネジ部材または接着部材等により固定されている。第１柱状部材６０ａおよび第２柱状部材６０ｂの各材質には、金属または樹脂を使用できるが、第１柱状部材６０ａおよび第２柱状部材６０ｂには平衡錘部材７０が取り付けられるため、強度の観点において金属材料を用いることが好ましい。
【0025】
２つの平衡錘部材７０は、第２回転機構１０上において、第１軸モータ１５１により荷重が付与される位置以外の位置に、高さ可変に取り付けられる複数の第２荷重部材の一例である。この高さは、重力方向における高さを意味する。２つの平衡錘部材７０は、それぞれの質量、並びにそれぞれの三次元的な位置に応じ、回転に伴って発生する遠心力等によって、第２回転機構１０に荷重を付与する。２つの平衡錘部材７０は、それぞれの重心が第１軸モータ１５１の重心に一致しなければ、２つの平衡錘部材７０それぞれの一部が、第１軸モータ１５１により荷重が付与される位置と重なっていてもよい。
【0026】
ここで、上述したように、第１軸モータ１５１は、第２回転機構１０上における第２軸Ａ２以外の位置に荷重を付与する。このため、第１回転機構５および第１軸モータ１５１の質量バランスが第２軸Ａ２に対して不均衡になり、第２回転機構１０により第１回転機構５および第１軸モータ１５１が第２軸Ａ２周りに回転した際に、振動が生じる等して回転が不安定になる場合がある。２つの平衡錘部材７０は、このような第１軸モータ１５１により付与される荷重に由来する回転の不安定性を抑制するために、対象複合体２００の質量バランスを調整する機能を有する。
【0027】
本実施形態では、２つの平衡錘部材７０は、第１平衡錘部材７０ａと、第２平衡錘部材７０ｂと、を含む。第１平衡錘部材７０ａおよび第２平衡錘部材７０ｂは、それぞれ重力方向を略軸方向とし、軸方向に沿って延伸する貫通孔が形成された円筒状部材である。質量バランスを調整する観点では、ある程度の質量を有することが好ましいため、第１平衡錘部材７０ａおよび第２平衡錘部材７０ｂの各材質には、金属材料を用いることが好ましく、また比重が大きい金属材料を用いることがより好ましい。
【0028】
２つのスペーサ部材６１は、２つの柱状部材６０と２つの平衡錘部材７０との間に設けられ、第２軸Ａ２に沿ったその長さによって、２つの荷重部材の高さを調整する機能を有する。本実施形態では、２つのスペーサ部材６１は、第１スペーサ部材６１ａと、第２スペーサ部材６１ｂと、を含む。第１スペーサ部材６１ａおよび第２スペーサ部材６１ｂは、それぞれ重力方向を略軸方向とし、軸方向に沿って延伸する貫通孔が形成された円筒状部材である。第１スペーサ部材６１ａおよび第２スペーサ部材６１ｂの各材質に特段の制限はないが、２つの平衡錘部材７０と比較して比重が軽い材料であることが好ましい。
【0029】
２つの固定ネジ部材６２は、２つの柱状部材６０と、２つの平衡錘部材７０と、を結合させるために使用されるネジ部材であり、第１固定ネジ部材６２ａと、第２固定ネジ部材６２ｂと、を含む。第１固定ネジ部材６２ａおよび第２固定ネジ部材６２ｂの各材質に特段の制限はないが、２つの平衡錘部材７０と比較して比重が軽い材料であることが好ましい。
【0030】
第１平衡錘部材７０ａは、第１柱状部材６０ａの＋Ｙ方向側の底面上に、第１スペーサ部材６１ａを介して同軸積載される。そして、第１平衡錘部材７０ａおよび第１スペーサ部材６１ａそれぞれの貫通孔を通るように挿入された第１固定ネジ部材６２ａにより、第１柱状部材６０ａの＋Ｙ方向側の底面上に取り付けられる。なお、同軸積載とは、複数の円柱軸同士、複数の円筒軸同士、または円柱軸および円筒軸同士が、相互に略一致するように積載されることを意味する。
【0031】
第２平衡錘部材７０ｂは、第２柱状部材６０ｂの＋Ｙ方向側の底面上に第２スペーサ部材６１ｂを介して同軸積載される。そして、第２平衡錘部材７０ｂおよび第２スペーサ部材６１ｂそれぞれの貫通孔を通るように挿入された第２固定ネジ部材６２ｂにより、第２柱状部材６０ｂの＋Ｙ方向側の底面上に取り付けられる。
【0032】
本実施形態では、２つのスペーサ部材６１のそれぞれを、第２軸Ａ２に沿った長さが異なるものに個別に変更することによって、２つの平衡錘部材７０それぞれの高さを個別に調整できる。
【0033】
また、２つの平衡錘部材７０のそれぞれは、固定ネジ部材６２を用いて２つの柱状部材６０それぞれに対して個別に着脱可能になっている。このため、本実施形態では、２つの平衡錘部材７０のそれぞれを質量または形状が異なるものに個別に変更すること、或いは同軸積載する平衡錘部材７０の数を変更すること、の少なくとも一方によって、２つの平衡錘部材７０それぞれの質量を個別に調整できる。
【0034】
さらに本実施形態では、図４に示すように、２つの平衡錘部材７０は、載置面１０１上において、第２回転機構１０を第２軸Ａ２に沿う方向から視た場合に、第２軸Ａ２を中心にした中心角θが１２０度以内の領域に配置されている。
【0035】
より詳しくは、図４において、第１半径線ｒａおよび第２半径線ｒｂのそれぞれは、第２軸Ａ２を起点として、第２軸Ａ２を中心とする円の半径方向に伸びる線を表している。第１平衡錘部材７０ａは、第１半径線ｒａが重心を通るように配置されている。第２平衡錘部材７０ｂは、第２半径線ｒｂが重心を通るように配置されている。この状態において、２つの平衡錘部材７０のそれぞれは、第１半径線ｒａと第２半径線ｒｂとのなす角である中心角θが１２０度以内となるように配置されることが好ましい。但し、２つの平衡錘部材７０の配置は、上記配置に限定されるものではなく、重量方向と交差する方向における載置面１０１上の異なる位置であれば、２つの平衡錘部材７０の配置は任意に変更されてもよい。
【0036】
図１から図４に例示する光走査装置１２０では、第１軸モータ１５１が第２軸Ａ２に対して＋Ｘ方向側で、かつ－Ｚ方向側にずれている。このため、第２軸Ａ２を中心に第１軸モータ１５１とは対称に位置する第２平衡錘部材７０ｂの質量が、第１平衡錘部材７０ａの質量よりも大きくなっている。これにより、対象複合体２００の質量バランスが平衡化されている。
【0037】
なお、平衡錘部材７０の数は２つに限定されず３以上であってもよい。柱状部材６０、スペーサ部材６１および固定ネジ部材６２それぞれの数も平衡錘部材７０の数に合わせて３以上であってもよい。また、平衡錘部材７０の柱状部材６０への取付方法は、固定ネジ部材６２を用いる方法に限定されず、光走査装置１２０の使用形態等に応じて適宜変更可能である。また、第１平衡錘部材７０ａおよび第２平衡錘部材７０ｂのうちの少なくとも一方が柱状部材６０に着脱可能であってよいし、第１平衡錘部材７０ａおよび第２平衡錘部材７０ｂのうちの少なくとも一方が高さ可変であってよい。
【0038】
＜平衡錘部材７０の作用＞
ここで、平衡錘部材７０の作用として、遠心力およびモーメントの抑制作用と、ジャイロモーメントの抑制作用と、について説明する。
ここで、平衡錘部材７０の作用として、遠心力およびモーメントの抑制作用と、ジャイロモーメントの抑制作用と、について説明する。
【0039】
（遠心力、モーメントの抑制）
対象複合体２００を第２軸Ａ２周りに回転させた場合、対象複合体２００の重心が第２軸Ａ２上からずれていると、遠心力が発生する。また、対象複合体２００には、その質量分布に応じて対象複合体２００が回転しやすい軸である慣性主軸が存在する。このため、慣性主軸が第２軸Ａ２に対して傾いていると、第２軸Ａ２を慣性主軸に一致させるようにモーメントが発生する。遠心力やモーメントは、対象複合体２００の回転に伴って振動を生じさせ、対象複合体２００の回転を不安定にする。
対象複合体２００を第２軸Ａ２周りに回転させた場合、対象複合体２００の重心が第２軸Ａ２上からずれていると、遠心力が発生する。また、対象複合体２００には、その質量分布に応じて対象複合体２００が回転しやすい軸である慣性主軸が存在する。このため、慣性主軸が第２軸Ａ２に対して傾いていると、第２軸Ａ２を慣性主軸に一致させるようにモーメントが発生する。遠心力やモーメントは、対象複合体２００の回転に伴って振動を生じさせ、対象複合体２００の回転を不安定にする。
【0040】
遠心力やモーメントは、対象複合体２００の質量バランスを適正化することによって抑制可能であるが、対象複合体２００の部材精度や部材の組立精度に応じて、対象複合体２００の個体ごとにその質量バランスが異なる場合がある。このため、質量バランスを厳密に適正化するためには、対象複合体２００を組み立てた後に、対象複合体２００の質量分布を調整することが好ましい。
【0041】
本実施形態では、２つの平衡錘部材７０の質量を調整することにより、対象複合体２００の組み立て後において、対象複合体２００の質量分布を変化させ、第２軸Ａ２に対する対象複合体２００の重心位置を調整可能にする。例えば、対象複合体２００の重心位置は、２つの平衡錘部材７０のうち質量を大きくした平衡錘部材７０側にずれる。対象複合体２００の重心が第２軸Ａ２上に位置するように２つの平衡錘部材７０それぞれの質量を調整することにより、遠心力が抑制され、遠心力に応じた光走査装置１２０の振動が抑制される。
【0042】
また、本実施形態では、２つの平衡錘部材７０の高さを調整することにより、対象複合体２００の組み立て後において、第２軸Ａ２を中心にした円の半径方向における重量分布を変えずに、第２軸Ａ２に沿った高さ方向の質量分布を変化させる。そして、対象複合体２００の慣性主軸を所望の方向に傾斜させることにより、慣性乗積によるモーメントを調整可能にする。
【0043】
例えば、２つの平衡錘部材７０の高さを２つとも高く、あるいは低くすると、対象複合体２００の慣性主軸は－Ｘ方向または＋Ｘ方向側に傾く。また、２つの平衡錘部材７０のどちらか一方の高さを調整すると、対象複合体２００の慣性主軸は＋Ｚ方向側または－Ｚ方向側に傾く。対象複合体２００の慣性主軸が第２軸Ａ２に沿うように、２つの平衡錘部材７０それぞれの高さを調整することにより、慣性乗積によるモーメントが小さくなり、光走査装置１２０の振動が抑制される。
【0044】
ここで、慣性乗積によるモーメントＭの推定方法を説明する。角運動量をＬ［Ｊ・ｓ］、慣性テンソルをＩ［ｋｇ・ｍ２］、角速度をω［ｒａｄ／ｓ］とすると、対象複合体２００における慣性主軸の傾きによって発生するモーメントＭ［Ｎ・ｍ］は、オイラーの方程式に基づき、以下の（１）式により表される。
【0045】
【数1】
【0046】
一定速度で回転する場合には、（１）式におけるｄω／ｄｔは０となるため、以下の（２）式が得られる。
【0047】
【数2】
【0048】
以下の（３）式および（４）式に基づくと、２つの平衡錘部材７０それぞれの高さを調整した場合の、Ｘ軸周りのモーメントＭｘ、Ｙ軸周りのモーメントＭｙおよびＺ方向のモーメントＭｚは、以下の（５）式から（７）式により表すことができる。
【0049】
【数3】
【0050】
【数4】
【0051】
【数5】
【0052】
【数6】
【0053】
【数7】
【0054】
Ｙ軸に沿った第２軸Ａ２周りに対象複合体２００を回転させる場合には、Ｘ軸周りの角速度ωｘおよび第２軸Ａ２周りの角速度ωｙはそれぞれ０となるため、以下の（８）式から（１０）式が得られる。
【0055】
【数8】
【0056】
【数9】
【0057】
【数10】
【0058】
以上により、慣性乗積によるモーメントＭの絶対値は、以下の（１１）式を用いて推定できる。
【0059】
【数11】
【0060】
（１１）式において、ＺおよびＹ方向における慣性テンソルＩｚｙと、ＸおよびＹ方向におけるＩｘｙがそれぞれ０となるように、２つの平衡錘部材７０それぞれの高さを調整することにより、慣性乗積によるモーメントＭが小さくなる。この結果、慣性乗積によるモーメントＭに伴う光走査装置１２０の振動が抑制される。
【0061】
（ジャイロモーメントの抑制）
第２回転機構１０とは別の回転機構である第１回転機構５を第２回転機構１０が支持していると、第１回転機構５および第２回転機構１０の双方の回転によりジャイロモーメントが発生する。
第２回転機構１０とは別の回転機構である第１回転機構５を第２回転機構１０が支持していると、第１回転機構５および第２回転機構１０の双方の回転によりジャイロモーメントが発生する。
【0062】
ここで、図５は、ジャイロモーメントの一例を説明する図である。図５において第２回転機構１０がＹ軸に沿った第２軸Ａ２周りに回転し、第１回転機構５におけるポリゴンミラー５０がＺ軸に沿った第１軸Ａ１周りに回転すると、Ｘ軸周りにジャイロモーメントＫ［Ｎ・ｍ］が発生する。
【0063】
ジャイロモーメントＫは、第２軸Ａ２を傾けるように作用するモーメントである。第２回転機構１０の回転に伴ってジャイロモーメントＫも第２軸Ａ２周りに回転するため、第２回転機構１０の回転に同期した振動が発生する。
【0064】
ジャイロモーメントＫ、および慣性主軸の傾きによるモーメントＭは、ともに第２軸Ａ２を傾けるように作用する。このため、本実施形態では、２つの平衡錘部材７０の高さを個別に調整することにより、慣性乗積によるモーメントＭの方向に対してジャイロモーメントＫを逆方向に発生させ、かつ慣性乗積によるモーメントＭの大きさと略等しいジャイロモーメントＫを発生させる。これにより、ジャイロモーメントＫとモーメントＭが相殺され、ジャイロモーメントＫが抑制される。
【0065】
ここで、第２軸Ａ２周りの角速度である第２角速度をωＨ、第１軸Ａ１周りの角速度である第１角速度をωＶ、第２回転機構１０の慣性テンソルである第２慣性テンソルをＩＨ、第１回転機構５の慣性テンソルである第１慣性テンソルをＩＶとすると、ジャイロモーメントＫは、次の（１２）式により表される。
【0066】
【数12】
【0067】
一方、慣性乗積によるモーメントＭは、以下の（１３）式により表される。
【0068】
【数13】
【0069】
第１慣性テンソルＩＶ、第１角速度ωＶおよび第２角速度ωＨは、予め定められるため、本実施形態では、ジャイロモーメントＫと慣性乗積によるモーメントＭとが等しくなる、すなわちＩＶ×ωＶ＝ＩＨ×ωＨとなるように、第２慣性テンソルＩＨを調整する。
【0070】
慣性乗積によるモーメントＭは、以下の（１４）式から（１６）式のように表される。
【0071】
【数14】
【0072】
【数15】
【0073】
【数16】
【0074】
本実施形態では、Ｘ軸周りのジャイロモーメントＫを相殺するために、Ｚ軸周りのジャイロモーメントＫｚを０とし、ＸおよびＹ方向における慣性テンソルＩｘｙを０にする。また、本実施形態では、慣性乗積によるＸ軸周りのモーメントＭｘと、Ｘ軸周りのジャイロモーメントＫｘと、を相殺させるために、ＺおよびＹ方向における第２慣性テンソルＩＨｚｙが以下の（１７）式および（１８）式を満足するなるように、２つの平衡錘部材７０それぞれを調整する。
【0075】
【数17】
【0076】
【数18】
【0077】
以上により、ジャイロモーメントＫと、慣性乗積によるモーメントＭと、が相殺され、光走査装置１２０の振動が抑制される。
【0078】
＜光走査装置１２０の効果＞
以上説明したように、本実施形態では、光走査装置１２０は、第１回転機構５と、第２回転機構１０と、第１軸モータ１５１（第１荷重部材）と、２つの平衡錘部材７０（複数の第２荷重部材）と、を有する。例えば、第２回転機構１０は載置面１０１を有し、２つの平衡錘部材７０の少なくとも１つは、載置面１０１に設けられる２つの柱状部材６０（複数の柱状部材）に取り付けられる。２つの平衡錘部材７０を高さ可変に取り付け、対象複合体２００の慣性主軸が第２軸Ａ２に沿うように調整することにより、慣性乗積によるモーメントＭが抑制され、光走査装置１２０の振動が抑制される。この結果、本実施形態では、簡単な構成により第２回転機構１０（回転機構）の回転を安定化可能な光走査装置１２０を提供できる。
以上説明したように、本実施形態では、光走査装置１２０は、第１回転機構５と、第２回転機構１０と、第１軸モータ１５１（第１荷重部材）と、２つの平衡錘部材７０（複数の第２荷重部材）と、を有する。例えば、第２回転機構１０は載置面１０１を有し、２つの平衡錘部材７０の少なくとも１つは、載置面１０１に設けられる２つの柱状部材６０（複数の柱状部材）に取り付けられる。２つの平衡錘部材７０を高さ可変に取り付け、対象複合体２００の慣性主軸が第２軸Ａ２に沿うように調整することにより、慣性乗積によるモーメントＭが抑制され、光走査装置１２０の振動が抑制される。この結果、本実施形態では、簡単な構成により第２回転機構１０（回転機構）の回転を安定化可能な光走査装置１２０を提供できる。
【0079】
また本実施形態では、２つの平衡錘部材７０の少なくとも１つは、質量が可変である。２つの平衡錘部材７０の質量を調整し、対象複合体２００の重心を第２軸Ａ２上に位置させることにより、遠心力が抑制され、光走査装置１２０の振動が抑制される。この結果、本実施形態では、簡単な構成により第２回転機構１０の回転を安定化可能な光走査装置１２０を提供できる。
【0080】
ここで、第２回転機構１０により支持された第１回転機構５によって、第２軸Ａ２に沿って光反射面５０１に入射するレーザ光Ｌ１を走査させる場合、第１回転機構５を駆動させる第１軸モータ１５１は、第２回転機構１０上において第２軸Ａ２からずれた位置に配置されることが多い。このため、２つの平衡錘部材７０は、第２回転機構１０上において、第２回転機構１０を第２軸Ａ２に沿う方向から視た場合に、第２軸Ａ２を中心にした中心角θが１２０度以内の領域に配置されることが好ましい。この配置により、第１軸モータ１５１および第１回転機構５により付与される荷重に対する質量バランスの調整を容易にすることができる。
【0081】
また、光走査装置１２０は、２つの平衡錘部材７０の少なくとも１つが、第２回転機構１０の回転半径方向に沿った位置が可変に構成されてもよい。ここで、図６は、第２回転機構１０の回転半径方向に沿った２つの平衡錘部材７０の位置調整を例示する図であり、第２回転機構１０を＋Ｙ方向側から視た上面図である。
【0082】
図６において、第１平衡錘部材７０ａは、第２回転機構１０の回転半径方向７０ａ１に沿った位置が可変であり、第２平衡錘部材７０ｂは第２回転機構１０の回転半径方向７０ｂ１に沿った位置が可変である。平衡錘部材７０の移動は、直動ステージ等の機構部により行ってもよいし、操作者等が手動により行ってもよい。このように、第２回転機構１０の回転半径方向に沿った２つの平衡錘部材７０の位置を可変にすることによっても、上述した平衡錘部材７０の質量を調整するのと同様の効果を得ることができる。
【0083】
また、本実施形態では、光走査装置１２０は、第１慣性テンソルをＩＶ［ｋｇ・ｍ２］、第２慣性テンソルをＩＨ［ｋｇ・ｍ２］、第１角速度をωＶ［ｒａｄ／ｓ］、第２角速度をωＨ［ｒａｄ／ｓ］とした場合に、ＩＶ×ωＶ＝ＩＨ×ωＨである。このようにすることで、ジャイロモーメントＫと、慣性乗積によるモーメントＭと、が相殺され、光走査装置１２０の振動が抑制される。この結果、本実施形態では、簡単な構成により第２回転機構１０の回転を安定化可能な光走査装置１２０を提供できる。
【0084】
また、本実施形態では、光走査装置１２０は、Ｚ方向およびＹ方向における第２慣性テンソルをＩＨＺＹ［ｋｇ・ｍ２］とした場合に、第２軸角速度をωＨｙ［ｒａｄ／ｓ］とし、Ｚ方向における第１慣性テンソルをＩＶｚｚ［ｋｇ・ｍ２］とし、第１角速度をωＶｚ［ｒａｄ／ｓ］とすると、ＩＨｚｙ×ωＨｙ＝－ＩＶｚｚ×ωＶｚである。これにより、ジャイロモーメントＫと、慣性乗積によるモーメントＭと、が相殺され、光走査装置１２０の振動が抑制される。この結果、本実施形態では、簡単な構成により第２回転機構１０の回転を安定化可能な光走査装置１２０を提供できる。
【0085】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一の構成部には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
次に、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態と同一の構成部には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。
【0086】
図７は、第２実施形態に係る光走査装置１２０ａが有する制御部１４０の機能構成を例示するブロック図である。制御部１４０は、第１軸回転制御部１４１と、第２軸回転制御部１４２と、を有する。なお、制御部１４０は、これら以外の機能構成部をさらに有してもよい。
【0087】
制御部１４０は、上記各機能を電気回路により実現できる他、ＣＰＵ（Central Processing Unit）がＲＡＭ（Random Access Memory）を作業領域とし、ＲＯＭ（Read Onlu Memory）等に記憶されたプログラムを実行することによって実現できる。また制御部１４０は、ＣＰＵと電気回路の両方を用いて上記各機能を実現することもできる。
【0088】
第１軸回転制御部１４１は、制御信号Ｄｒ１を第１回転機構５に出力することにより、第１回転機構５の回転を制御する。第２軸回転制御部１４２は、制御信号Ｄｒ２を第２回転機構１０に出力することにより、第２回転機構１０の回転を制御する。
【0089】
制御部１４０は、第１軸回転制御部１４１および第２軸回転制御部１４２により、第１回転機構５による第１軸Ａ１周りの第１角速度ωＶと、第２回転機構１０による第２軸Ａ２周りの第２角速度ωＨと、の角速度比が、第１回転機構５および第２回転機構１０がそれぞれ定速回転をしている場合における角速度比と同じになるように制御できる。
【0090】
また、制御部１４０は、第１回転機構５の第１角速度ωＶ、および第２回転機構１０の第２角速度ωＨがそれぞれ一定になるまでの期間に、第１回転機構５の第１角速度ωＶおよび第２回転機構１０の第２角速度ωＨの少なくとも一方を制御できる。
【0091】
ここで、第１回転機構５および第２回転機構１０がそれぞれ定速回転している場合には、上述した２つの平衡錘部材７０を用いた質量調整により、ジャイロモーメントＫを抑制できる。しかしながら、光走査装置１２０ａが起動された直後において、第１回転機構５および第２回転機構１０による角速度が相互に異なる場合には、ジャイロモーメントＫと、慣性乗積によるモーメントＭと、を相殺できず、ジャイロモーメントＫを抑制できない場合がある。
【0092】
例えば、慣性乗積によるモーメントＭは、第２角速度ωＨの二乗に比例し、ジャイロモーメントＫは、第２角速度ωＨと第１角速度ωVの積に比例する。定速回転時における第２角速度ωＨに対して第２角速度ωＨが１／２になると、定速回転時におけるジャイロモーメントＫに対してジャイロモーメントＫは１／２になるが、慣性乗積によるモーメントＭは定速回転時におけるモーメントＭの１／４になる。これにより、定速回転時におけるジャイロモーメントＫのうちの１／４が相殺されずに残る。
【0093】
図８は、第２回転機構１０の比較例に係るモーメント変化を示す図である。図８は、第２回転機構１０の起動時におけるモーメント変化を示している。横軸は第２角速度ωＨ［ｒａｄ／ｓ］を表し、縦軸はジャイロモーメントＫおよび慣性乗積によるモーメントＭのトルクＴ［Ｎ・ｍ］を表している。実線のグラフはジャイロモーメントＫを、破線のグラフは慣性乗積によるモーメントＭを、それぞれ表している。
【0094】
定速回転時における第２角速度ωＨの１／２の角速度である第２角速度ωＨ０では、ジャイロモーメントＫは、定速回転時におけるジャイロモーメントＫの１／２になり、慣性乗積によるモーメントＭは定速回転時におけるモーメントＭの１／４になる。これにより、定速回転時におけるジャイロモーメントＫのうちの１／４に対応するトルク差ΔＴが相殺されずに残る。
【0095】
一方、図９は、第２回転機構１０の本実施形態に係るモーメント変化を例示する図である。図９の見方は図８と同様である。図９に示すように、本実施形態では、制御部１４０によって起動時における角速度比が定速回転時における角速度比と同じになるように制御することにより、ジャイロモーメントＫおよび慣性乗積によるモーメントＭが略等しくなる。これにより、慣性乗積によるモーメントＭと、ジャイロモーメントＫと、を相殺できるため、本実施形態では、光走査装置１２０ａの振動を抑制し、簡単な構成により第２回転機構１０の回転を安定化可能な光走査装置１２０ａを提供できる。なお、これ以外の効果は第１実施形態と同様である。
【0096】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形または変更が可能である。
【0097】
実施形態の説明で用いた序数、数量等の数字は、全て本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明は例示された数字に制限されない。また、構成要素間の接続関係は、本発明の技術を具体的に説明するために例示するものであり、本発明の機能を実現する接続関係をこれに限定するものではない。
【符号の説明】
【0098】
１…ベース板、５…第１回転機構、１０…第２回転機構、５０…ポリゴンミラー、５１…回転軸部材、５２…軸受け部材、５３…モータ取付板、６０…２つの柱状部材、６０ａ…第１柱状部材、６０ｂ…第２柱状部材、６１…２つのスペーサ部材、６１ａ…第１スペーサ部材、６１ｂ…第２スペーサ部材、６２…２つの固定ネジ部材、６２ａ…第１固定ネジ部材、６２ｂ…第２固定ネジ部材、７０…２つの平衡錘部材、７０ａ…第１平衡錘部材、
７０ｂ…第２平衡錘部材、７０ａ１、７０ｂ１…回転半径方向、１０１…載置面、１２０…光走査装置、１４０…制御部、１４１…第１軸回転制御部、１４２...第２軸回転制御部、１５１…第１軸モータ、２００…対象複合体、５０１…光反射面、Ａ１…第１軸、Ａ２…第２軸、Ｄｒ１、Ｄｒ２…制御信号、Ｌ１…レーザ光、Ｌ２…走査レーザ光、ｒａ…第１半径線、ｒｂ…第２半径線、θ…中心角、ω…角速度、ωV…第１角速度、ωＨ…第２角速度、I…慣性テンソル、ＩV…第１慣性テンソル、ＩＨ…第２慣性テンソル、Ｍ…モーメント、Ｋ…ジャイロモーメント、Ｔ…トルク、ΔＴ…トルク差
７０ｂ…第２平衡錘部材、７０ａ１、７０ｂ１…回転半径方向、１０１…載置面、１２０…光走査装置、１４０…制御部、１４１…第１軸回転制御部、１４２...第２軸回転制御部、１５１…第１軸モータ、２００…対象複合体、５０１…光反射面、Ａ１…第１軸、Ａ２…第２軸、Ｄｒ１、Ｄｒ２…制御信号、Ｌ１…レーザ光、Ｌ２…走査レーザ光、ｒａ…第１半径線、ｒｂ…第２半径線、θ…中心角、ω…角速度、ωV…第１角速度、ωＨ…第２角速度、I…慣性テンソル、ＩV…第１慣性テンソル、ＩＨ…第２慣性テンソル、Ｍ…モーメント、Ｋ…ジャイロモーメント、Ｔ…トルク、ΔＴ…トルク差
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】