JPH0480709A

JPH0480709A - 光線走査装置

Info

Publication number: JPH0480709A
Application number: JP19415390A
Authority: JP
Inventors: Michio Kondo; 道雄近藤
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1990-07-23
Filing date: 1990-07-23
Publication date: 1992-03-13

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、レーザビームプリンタ等に使用される光線走
査装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、固定鏡と、その固定鏡に対向する回転軸をもつ回
転鏡と、その回転鏡を回転軸を中心に往復回転運動させ
、その回転角の制御可能な駆動手段とから成る走査ミラ
一部を有し、前記走査ミラ一部に入射されたレーザ光が
、回転鏡と固定鏡との間でジグザグ状に多重反射され、
偏向される構成の光線走査装置が特開昭６１−２１５５
１６号等に記載されている。

このような従来技術を第１８図を参照して説明すると、
第１８図中、１０１は回転鏡であり、回転中心１０３を
中心に回転自在に取り付けられている。

一方、これに対向して固定鏡１０４が配置されており、
レーザ光発生器１０５から射出された光が回転鏡１０３
でまず策１回目の反射をうけ、その後、固定鏡１０４で
反射され、ジグザグ状に多重反射されレーザ光が偏向さ
れるようになっている。

〔発明か解決しようとする課題〕

しかしながら、レーザ光を回転軸１０３に対して傾め入
射させるので、偏向角を大きくとろうとすると、被偏向
レーザ光に大きな円弧状の歪曲が生じることが問題であ
った。

たとえば、傾め入射角を２１．８°、多重反射回数を１
０回、偏向角を±３０°とすると、被偏向レーザ光は、
望ましくない方向に５．９°偏向する。

本発明は上記した従来技術の諸問題に鑑みてなされたも
のでその目的とするところは、簡単な構成で小型で低消
費電力、しかも高速走査可能なｆθ特性を持たせること
のできる光線走査装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を有する本発明は、固定鏡と、固定鏡の鏡面に
対向する鏡面を有する回転可能な回転鏡と、回転可能な
回転鏡を回転させる駆動部と、固定鏡にあるいは回転鏡
に入射され、固定鏡と回転鏡との間で多重反射されて偏
向された後レーザー光の円弧状の歪曲を補正する円弧補
正レンズとを有する。

また他の構成では、固定鏡が回転鏡の回転角の制御に同
期して出射するレーザ光の円弧状の歪曲を補正する。さ
らに、上記した構成では、ｆθレンズ系か備えられてい
る。

〔作用〕

而して、上記目的を有する本発明においては、入射レー
ザ光は、回転鏡の偏向角の多重反射回数倍の偏向を受け
るので、例えば、多重反射回数をｎ回とすると、レーザ
光を所定角度偏向させるためには、回転鏡を数十分の−
の微少角度偏向させれば良い。そのため駆動系として小
型、低消費電力、高速動作可能な積層圧電アクチュエー
タを使用でき、その電圧制御、もしくは注入電荷制御に
よってｆθ特性をもたせて回転鏡を回転させることがで
きるのでｆθレンズ系を省略できる。また走査ミラ一部
を出射するレーザ光に生しる円弧状の歪曲か補正される
ので、目的とする走査面上でレーザ光か直線走査される
。

さらに上述した第２の構成では、円弧歪補正レンズ系も
省略できる。

また上述した第３の構成では、ｆθレンズ系、円弧歪補
正レンズ系の両方が必要であるが、回転鏡が共振状態で
駆動されるので、回転鏡を駆動するアクチュエータのエ
ネルギーロスか少なく、したかって駆動系が容易になる
。

〔実施例〕

以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照して説明
する。

篤１図は、本発明の光線走査装置の一実施例を示す説明
図であり、入射レーザ光２２は回転鏡１０に斜め入射さ
れ一回目の反射を受け、固定鏡１４に向けられ、固定鏡
１４で反射され、再び回転鏡１０に向けられ、そこで第
２回目の反射を受ける。以下、同様に数回反射された後
に回転鏡１０から射出される。回転鏡１０は回転軸１２
に取り付けられており、回転軸１２は２個の積層圧電ア
クチュエータ１８．２０により偶力を受けて往復回転運
動されるようになっており、回転鏡１０がｆθ特性をも
って回転されるように、その２個の積層圧電アクチュエ
ータ１８．２０は電圧制御あるいは注入電荷制御によっ
て駆動される。

また、回転鏡１０は駆動負荷を低減するためにレーザ光
があたらない部分を切り落とした台形状の形状となって
いる。以上１０から２０が走査ミラ一部３８を構成する
。

次に１．ジグザグ多重反射による偏向角拡大の様子を第
３図乃至第５図で説明する。第３図に固定鏡１４と回転
鏡１０がほぼ平行に対向して配置されている場合が示さ
れており、平面図かられかるように入射レーザ光２２は
ジグザグの多重反射を受けて、最後は回転鏡１０で反射
されて出射される。この場合、側面図からみるとレーザ
光は偏向されていない。第４図（ａ）、（ｂ）又は第５
図は回転鏡１０が左右に微小角回転した場合を示す。

（ａ）　　　（ｂ）側面図からみると入射レーザ光２２
は回転鏡１０て反射されるたびに回転鏡１０の回転角の
２倍の角度の偏向を受け、最後には大きな偏向角を受け
て回転鏡１０から出射される。

また、第６図に示すように、回転軸１２の垂直面内にな
い方向からレーザ光２２が回転鏡１０に入射して反射さ
れる場合、反射されたレーザ光２４は円錐状の軌跡を描
くので、被走査面２８をどのような方位に向けてもレー
ザ光２４は被走査面２８上で円弧状の軌跡を描き、いわ
ゆる円弧状の歪曲が生じ、第１の実施例においても第３
図、第４図に示した回転軸１２の鏡像位置１００を中心
とする円弧状の歪曲が生しる。この歪曲は、走査ミラ一
部３８の出口に円弧歪補正用のレンズ系２６を配置する
ことにより、目標となる走査面上２８で打ち消され、直
線走査として補正することができる。尚、第１図ではレ
ンズ系２６を１枚レンズで略記している。第７図、第８
図、第９図に示すように直線走査に補正される。第７図
では、第１図の実施例のレーザ光の断面形状の変化の要
素を示し、第８図は第７図の平面図、第９図は第７図の
側面図である。第７図と第９図から分かるように、円弧
歪補正レンズ系２６は鉛直方向に屈折力をもたないので
、レーザ光の鉛直方向の径は被走査面２８に向かって一
様に減少し被走査面２８上で焦点を結ぶように調整され
ている。一方、第７図と第８図から分かるように、レー
ザ光の水平方向の径は回転軸１２の鏡像位置１００て一
度焦点を結ぶように調整されている。次に、円弧歪補正
レンズ系２６は次式に示す条件を満たす焦点距離ｆを持
ち、且つ第８図に示した位置に配置されるので、走査ミ
ラ一部３８内で一度焦点を結んだレーザ光は被走査面２
８上で再び焦点か結ばれる。したがって第８図の波線で
示したように回転軸１２の鏡像位置１００を中心とする
円弧状の歪曲、及び回転鏡１０の面倒れによる望ましく
ない偏向か打ち消され、第１図の３０に示すように被走
査面２８上でレーザ光か直線に走査されるわけである。

１　／　ｆ　　＝　１　／　ａ　＋　１　／　ｂａ　被
走査面２８から円弧歪補正レンズ系２６までの距離ｂ：回転軸１２の鏡像位置１００から円弧歪補正レンズ
系２６までの距離次に、第２図を参照して光線走査装置の第２の実施例を
説明する。本実施例では第１図の固定鏡１４か第２図に
示す回転軸２６を有する微小角回転鏡３４に置き換えら
れ、その微小角回転鏡３４は、回転鏡１０に同期して微
小角回転され、前述したジグザグの多重反射により生ず
る被偏向レーザ光２４の円弧状の歪曲を補正するように
なっている。第２図（ｂ）に示すように、目標とする走
査面２８上で走査線２４が直線になるように固定鏡３４
側を微小回転させる。その回転は、第２図（Ｃ）に示す
線Ｓに表わされるようになっており、回転鏡の回転を示
す線Ｒに同期して微小回転するようになっており、その
回転は線Ｓで表わされるようになっている。

微小回転の制御量は、回転鏡Ｒに入射するレーザ光の傾
き角θ、回転鏡１０と固定鏡３４との間の反射回数、回
転鏡１０と固定鏡３４の間隙、走査面２８までの距離、
被偏向レーザ光の走査面２８への入射角等の条件を決め
てから、光線追跡によって求める。尚、駆動用のアクチ
ュエータを図示することは省略したが、第１図と同様に
して積層圧電アクチュエータ等が使用される。

第１０図に、光線走査装置の第３の実施例を示し、印字
速度の速い（高速）レーザビームプリンタに応用した例
の説明図である。第１０図において、半導体レーザ４２
を出射する断面形状か楕円状のレーザ光は形状補正及び
焦点レンズ４４によって一旦感光ドラム５０上に焦点を
結ぶ断面形状が円形のレーザ光にされて後、シリンドリ
カルレンズ４６を通ってレーザ光の鉛直方向の径のみ走
査ミラ一部３８内で焦点を結ぶように、つまり第７図で
説明した断面形状の変化をするレーザ光に調整される。

そして走査ミラ一部３８て偏向をうけ、ｆθレンズ系４
８、円弧歪補正レンズ系２６を通って感光ドラム５０上
に集光されるようになっている。

ジグザグ多重反射の偏向角拡大の効果によって回転鏡１
０の回転角は小さくて良いのであるか、それても回転鏡
１０をｆθ特性を持たせて高速（８００Ｈｚ）往復回転
運動させるのは困難である。そこで回転鏡１０を共振状
態で往復回転振動させることにより、駆動系の負荷を低
減する替わりに、ｆθ特性を持たせられないので、ｆθ
レンズ系を付加したのが本実施例の特徴である。

尚、印字速度の速くない（中、低速）レーザヒームプリ
ンタには第１図あるいは第２図で説明した走査ミラーｆ
ｆ３８を使用できるのてｆθレンズ系を省略した構成を
取ることかできる。また、第１０図の走査ミラ一部３８
、ｆθレンズ系４８、円弧歪補正レンズ系２６が光線走
査装置である。

第１１図は、光線走査装置の第１実施例をレーサマー力
に応用した例を説明する説明図である。

第１１図において、高出力パルスレーザ光源（ＹＡＧ、
炭酸ガスレーザ等）５２を出射したレーザ光は、集光レ
ンズ５４で４００μｍ程度のコア径をもつ大口径光ファ
イバ５６に入射され、レーザマーカヘッド部１０２まで
伝送される。大口径光ファイバ５６の他端は図示されな
いレーザマーカヘッド部１０２の機枠に固定されていて
、大口径光ファイバ５６を出射したレーザ光は集光レン
ズ５８によって一旦被マーキング物６２上に焦点を結ぶ
断面形状か円形のレーザ光にされて後、シリンドリカル
レンズ４６を通って、図に矢印で示したマーキング物６
２の送り方向のビーム径のみ走査ミラ一部３８内で焦点
を結ぶように、つまり第７図で説明した断面形状の変化
をするレーザ光に調整される。そして走査ミラ一部３８
で偏向をうけ、円弧歪補正シリンドリカルミラー６０を
通ってマーキング物６２上に集光されるようになってい
る。

また、第２図を参照して説明した第２実施例の光線走査
装置を適用する場合には、シリンドリカルレンズ４６は
省略でき、円弧歪補正シリンドリカルミラー６０は平面
鏡で良い。

尚、レーザマーキングの速度は高出力パルスレーザ光源
５２のパルス発振周波数で制限されていて、一般に速く
ないので、第１０図を参照して実施例を説明した光線走
査装置か適用されることはない。

第１２図は、第２実施例の光線走査装置をファクシミリ
に応用した例を示す。第１２図において、半導体レーザ
４２を出射する断面形状が楕円状のレーザ光は形状補正
及びコリーメントレンズ１０４によって断面形状が円形
の平行光にされて後、偏向ビームスプリッタ６４．１／
４波長板６６を通過して円偏光にされ、反射鏡６８で向
きを変えられ、第２図で説明した走査ミラ一部３８に入
射されて偏向され、集光レンズ７０を通過して、原稿読
み取り時には反射鏡７２て上向きに反射され原稿上に集
光、照射される。集光レンズ７０は、第１３図に示すよ
うに、回転軸１２の鏡像位置１００と被読み取り原稿７
６の中間に位置し、また被読み取り原稿７６は集光レン
ズ７０の焦点位置にあるので、レーザ光は被読み取り原
稿７６上に垂直に照射され、したがって、被読み取り原
稿７６上で反射されたレーザ光はちと来た光路を逆進す
る。逆進するレーザ光は、１／４波長板６６で入射時と
は偏向方向が９０°回転した直線偏向に変換されるので
、こんどは偏向ビームスプリッタ６４で反射され、集光
レンズ８０で集光され、光検出器８２で電気信号に変換
され、その信号の強弱によって原稿７６が読み取られる
わけである。

一方、印刷時には反射鏡７２は９０°回転して７４の状
態になり、電話線で伝送されてきた信号によって強度変
調されたレーザ光が感熱紙７８上に集光、照射されるわ
けである。このときも第１３図で説明したように、感熱
紙上に常に垂直にレーザ光が照射されるので、印字濃度
が一様になる利点がある。

尚、集光レンズ７０を凹面反射鏡に置き換えた構成もと
りつる。さらに上記の原稿読み取り時の構成は、バーコ
ードリーダ、光カード読み取り器、レーザ光走査型の顕
微鏡いわゆるレーザ顕微鏡等に応用可能である。

第１４図は、第２実施例の光線走査装置を、被測定物の
外形、あるいは物と物の間の間隙等を測定するレーザマ
イクロに応用した例を説明する図である。第１４図にお
いて、回転軸１２の鏡像位置１００に焦点を結ぶように
調整された入射レーザ光２２は走査ミラ一部３８に入射
されて偏向され、集光レンズ８４を通過する。集光レン
ズ８４は、第１５図に示すように、回転軸１２の鏡像位
置１００にその焦点位置がくるように配置されているの
で、集光レンズ８４を通過したレーザ光は平行に走査さ
れる平行光の帯になる。その平行光の帯の一部は被測定
物８８で遮られ、遮られなかった部分は集光レンズ８６
で集光され、光検出器８２で電気信号に変換される。回
転鏡１０はｆθ特性をもって往復回転運動され、したか
つて上記の平行光が等速で平行走査される場合には、レ
ーザ光が遮られている時間を上記の電気信号をトリガー
にして計測し、その時間から被測定物８８の外形が計算
される。あるいは遮られている区間の両端に対応する回
転鏡１０の駆動系の制御信号値を上記の電気信号をトリ
ガーにして求め、その両端の値から被測定物８８の外形
を求めることもできる。このように本実施例においては
、集光レンズ８６は高価なｆθレンズ系でなくともよく
、安価に構成できる。

第１６図は、第１実施例の光線走査装置を、１対ｎの光
スィッチに応用した例を説明する説明図である。この説
明図において、出側の光ファイバ９０から出射したレー
ザ光は凹レンズ１０６で径広げられ、凸レンズ１０８で
集光ヒームに変換され、走査ミラ一部３８に入射されて
変更された後、集光位置に配置された入側の光ファイバ
９２に入射される。この場合、おのおのの入側光ファイ
バ９２はあらかしめ集光位置に調整固定されているので
円弧歪補正レンズ系２６は必要ない。

あるいは、凸レンズ１０８の後ろにシリンドリカルレン
ズ４６を配置し、円弧歪補正レンズ系２６を付加すれば
、入側の光ファイバ９２を同一平面内に並べることがで
きるので調整が容易になる。

あるいは第２実施例の光線走査装置を使用する場合には
、入側の光ファイバ９２はあるていど調整して配置され
ていれば、その位置調整誤差を第２の微小角回転鏡２６
で補正してやることができるので、さらに調整が容易に
なる。また出側の光ファイバ９２はレーザ光源に置き換
えることもできるし、出側も複数にしてｎ対ｎの光スィ
ッチを構成することもできる。

次に、回転鏡１０を駆動する積層圧電以外のアクチュエ
ータの例として、ムービングマグネットの例を第１７図
に示す。第１７図において、２つのマグネット９４が回
転軸１２に取り付けられていて、その外側に２つの電磁
石９６が小間隙１１０において配置されている。電磁石
９６に流す電流の向きと大きさを制御することによって
、回転軸１２に取り付けられた回転鏡１０を往復回転運
動させるようになっている。前述したように、回転鏡１
０に必要な回転角は、ジグザグ多重反射によって小さく
て良いので、間隙１１０を狭くでき、したがって電磁石
９６に流すべき電流も少なくてすみ、且つ高速に往復回
転させることか容易になる。

また、その低駆動用のアクチュエータとして、第１７図
とは逆に磁石を外側に配置し、電磁石の方を動かす、い
わゆるムービングコイル、あるいはねじれ運動をするよ
うに電極をつけた圧電素子、あるいは超磁歪合金、ある
いは油圧、空気圧、熱変形等が利用可能である。

以上、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明した
が、本発明はその他の態様で実施することもてきる。例
えば、第１図、第２図に示す各微小角回転鏡は、駆動系
の駆動能力が十分であれば台形形状でなく単純な矩形形
状であってもよいし、また、第１図に示した回転軸１２
に偶力を与える２個の積層圧電アクチュエータ１８．２
０は、適当な回転軸受けを使用すれば積層圧電アクチュ
エータが１個でも可能であるし、また、例えば、テコ機
構等を用いた角度拡大機構と組合せ、積層圧電アクチュ
エータに要求される駆動量を低減する構成もとりうる。

その他−々例示はしないが本発明は当業者の知識に基づ
いて種々の変更、改良を加えた態様で実施することかで
きる。

〔発明の効果〕

以上詳述したことから明らかなように、本発明の光線走
査装置によれば、小型、低消費電力、高速走査可能で、
またｆθ特性を持たせることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例を説明する概略構成図、
第２図（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）は、第２の実施例を説明
する概略構成図、第３図、第４図、第５図は、ジグザグ
多重反射（５回反射）による偏向角拡大の様子を説明す
る説明図、第６図は、円弧ふれ発生を説明する説明図、
第７図、第８図、第９図は、第１の実施例のレーザ光の
断面形状の変化、及び円弧補正の様子を説明する説明図
、第１０図は、本発明の光線走査装置の第３実施例のレ
ーザビームプリンタへの応用例を説明する図、第１１図
は、レーザビームへの応用例を説明する説明図、第１２
図は、レーザファクシミリへの応用例を説明する説明図
、第１３図は、第１２図に示したレーザファクシミリの
光学系を説明する説明図、第１４図は、レーザマイクロ
への応用例を説明する説明図、第１５図は、第１４図の
光学系を示す概略構成図であり、第１６図は、１対ｎ光
スイツチへの応用例を説明する説明図、第１７図は、ム
ービングマグネット式アクチュエータを説明する説明図
、第１８図及び第１９図は、従来技術の走査光学装置の
概略構成図である。１０・・・回転鏡・１２・・・回転鏡の回転軸１４・・固定鏡１６・・・固定鏡の梁１８・・・第１の積層圧電アクチュエータ２０・・・第
２の積層圧電アクチュエータ２２・・・入射レーザ光２４・・・被偏向レーザ光２６・・・円弧補正レンズ（系）２８・・・被走査面（感光ドラム面等）３０・・・被円
弧補正レーザ光の走査線３２・・・未円弧補正レーザ光
の走査線３４・・・微小角固定鏡３６・・・微小角固定鏡の回転軸３８・・・走査ミラ一部４０・・・未円弧補正レーザ光の光軸４２・・半導体レーザ４４・・・形状補正及び集光レンズ４６・・・シリンドリカルレンズ４８・・・ｆθレンズ系５０・・・感光ドラム５２・・・パルスレーザ発振器（Ｙ　Ａ　Ｇ、炭酸ガス
等）５４・・・集光レンズ５６・・・大口径光ファイバ５８・・・集光レンズ６０・・・円弧補正シリンドリカルミラー６２・・・被
マーキング物６４・・・偏向ビームスプリ１．り６６・・・１／４波長板８・・・反射鏡０・・・集光レンズ２・・・反射鏡（原稿読み取り時）４・・・反射鏡（印刷時）６・・・被読み取り原稿８・・・感熱紙０・・・集光レンズ２・・・光検出器４・・・コリメートレンズ６・・・集光レンズ８・・・被測定物０・・・光ファイバ（出側）２・・・光ファイバ（入側）４・・・磁石（マグネット）６・・・電磁石８・・・導線００・・・回転軸１２の鏡像位置０２・・・レーザマーカヘッド部０４・・・ビーム形状補正及びコリ０６・・・凹レンズメトレンズ８・・・凸レンズ０・・・間隙

Claims

【特許請求の範囲】１、固定鏡と、固定鏡の鏡面に対向する鏡面を有する回
転可能な回転鏡と、回転可能な回転鏡を回転させる駆動
部と、固定鏡にあるいは回転鏡に入射され、固定鏡と回
転鏡との間で多重反射されて偏向された後レーザー光の
円弧状の歪曲を補正する円弧補正レンズとを有する光線
走査装置。２、第１項に記載の光線走査装置において、固定鏡が回
転鏡の回転角の制御に同期して、微小角振動し、出射す
るレーザ光の円弧状の歪曲を補正することを特徴とする
光線走査装置。３、第１項に記載の光線走査装置において、ｆθレンズ
系が備えられたことを特徴とする光線走査装置。