JP3877612B2

JP3877612B2 - Optical scanning device and image forming apparatus provided with optical scanning device

Info

Publication number: JP3877612B2
Application number: JP2002058120A
Authority: JP
Inventors: 伸明浅井; 祥治山田; 茂中村; 尊雄村越
Original assignee: Brother Industries Ltd; Tokyo Keiki Inc
Current assignee: Brother Industries Ltd; Tokyo Keiki Inc
Priority date: 2002-03-05
Filing date: 2002-03-05
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2022-03-05
Also published as: JP2003255244A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光束を走査する光走査装置及び光走査装置を備えた画像形成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、赤、緑、青の微弱な光束を２次元光走査装置で走査して観察者の瞳孔に投入することにより網膜上に直接描画を行う、いわゆる網膜走査型ディスプレイと呼ばれる装置が知られている。例えば、当該装置は本願出願人による特許第２８７４２０８号公報等において提案されている。かかる網膜走査型ディスプレイの主要構成要素であって、映像信号に基づいて出射される光束を走査するための光走査装置としては、浮遊ポリゴン型やガルバノミラー型等によるものが研究されている。網膜走査型ディスプレイに代表される頭部装着型ディスプレイを使用する多くの場面では、観察者の位置あるいは視線方向に応じて表示画像を変化させることが要求され、このためには、位置センサあるいは加速度センサをディスプレイ装置に搭載する必要がある。このようなセンサの例として、本願出願人による特許第３００８０７４号公報等において提案されている静電浮遊型ジャイロ装置がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、静電浮遊型ジャイロ装置や光走査装置は精密機器であり、両装置を搭載して網膜走査型ディスプレイを実現しようとすると、ディスプレイのサイズ・重量が大きくなるだけでなく高価なものになってしまうという問題があり、本問題の解決が課題となっていた。
【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、静電浮遊型ジャイロ装置の浮遊回転板に光偏向手段を設ける等を実施し、光走査装置とジャイロ装置を融合することによって、小型・軽量・低コストの（加速度センサ機能付）光走査装置及び光走査装置を備えた画像形成装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明の光走査装置は、入射した光束を所定方向へ偏向する光偏向手段を有する浮遊回転板と、内部に空間部が形成され、前記浮遊回転板をその空間部内に収納するとともに浮遊状態で回転可能に支持する収納筐体と、その収納筐体に収納された前記浮遊回転板を、静電力により浮遊させるとともに、前記浮遊回転板の中心軸線の周りに回転させる浮遊回転駆動手段と、前記収納筐体に対する前記浮遊回転板の並進位置及び回転位置を検出して信号を出力する位置検出手段と、前記位置検出手段の出力信号に基づき、前記浮遊回転駆動手段を制御する帰還信号を出力することによって、前記浮遊回転板の並進位置及び回転位置を所望の状態に維持する制御手段と、前記位置検出手段の出力信号及び前記制御手段の帰還信号の少なくとも一方に対して演算を施し、前記収納筐体の並進加速度及び角速度の少なくとも一方を算出して出力する運動検出手段とを備えている。
【０００６】
この構成の光走査装置では、入射した光束を所定方向へ偏向する光偏向手段を有する浮遊回転板を、内部に形成された空間部に収納するとともに浮遊状態で回転可能に支持する収納筐体において、浮遊回転駆動手段が、その収納筐体に収納された浮遊回転板を、静電力により浮遊させるとともに、浮遊回転板の中心軸線の周りに回転させ、位置検出手段が、収納筐体に対する浮遊回転板の並進位置及び回転位置を検出して信号を出力し、制御手段が、位置検出手段の出力信号に基づき、浮遊回転駆動手段を制御する帰還信号を出力することによって、浮遊回転板の並進位置及び回転位置を所望の状態に維持し、運動検出手段が、位置検出手段の出力信号及び制御手段の帰還信号の少なくとも一方に対して演算を施し、収納筐体の並進加速度及び角速度の少なくとも一方を算出して出力することができる。
【０００７】
また、請求項２に係る発明の光走査装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記収納筐体は、その内部に形成された空間部が減圧されていることを特徴とする構成となっている。
【０００８】
この構成の光走査装置では、請求項１に係る発明の作用に加え、収納筐体の内部に形成された空間部が減圧されており、空気抵抗がほとんどない状態なので、浮遊回転板の回転力が失われにくい。
【０００９】
また、請求項３に係る発明の光走査装置は、請求項１又は２に記載の発明の構成に加え、前記収納筐体の前記光偏向手段に対向する面の少なくとも一部が透光性部材により構成され、前記光偏向手段は、前記透光性部材を透過して前記浮遊回転板に対して略垂直に入射した光束を、前記浮遊回転板と略平行な平面上の所定の単一方向もしくは複数方向に偏向するように構成されていることを特徴とする構成となっている。
【００１０】
この構成の光走査装置では、請求項１又は２に係る発明の作用に加え、収納筐体の光偏向手段に対向する面の少なくとも一部が透光性部材により構成されており、光偏向手段は、透光性部材を透過して浮遊回転板に対して略垂直に入射した光束を、浮遊回転板と略平行な平面上の所定の単一方向もしくは複数方向に偏向することができる。
【００１１】
また、請求項４に係る発明の光走査装置は、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の構成に加え、前記光偏向手段は、回折手段により構成されたことを特徴とする構成となっている。
【００１２】
この構成の光走査装置では、請求項１乃至３の何れかに係る発明の作用に加え、光偏向手段は回折手段により構成されており、単純な構造で、入射した光束を偏向することができる。
【００１３】
また、請求項５に係る発明の光走査装置は、請求項４に記載の発明の構成に加え、前記回折手段は、前記浮遊回転板上に形成された等間隔のピッチを有するストライプ状の屈折率分布により構成された回折格子からなることを特徴とする構成となっている。
【００１４】
この構成の光走査装置では、請求項４に係る発明の作用に加え、回折手段は、浮遊回転板上に形成された等間隔のピッチを有するストライプ状の屈折率分布により構成された回折格子からなり、入射した光束を所定方向に偏向することができる。
【００１５】
また、請求項６に係る発明の光走査装置は、請求項４に記載の発明の構成に加え、前記回折手段は、前記浮遊回転板上に形成された等間隔のピッチを有するストライプ状の立体構造により構成された回折格子からなることを特徴とする構成となっている。
【００１６】
この構成の光走査装置では、請求項４に係る発明の作用に加え、回折手段は、浮遊回転板上に形成された等間隔のピッチを有するストライプ状の立体構造により構成された回折格子からなり、入射した光束を所定方向に偏向することができる。
【００１７】
また、請求項７に係る発明の光走査装置は、請求項５又は６に記載の発明の構成に加え、前記回折手段は、その回折手段を構成する個別の格子要素が有する入射した光束に対する回折強度分布の最大方向と、その回折手段が有する周期構造に基づく回折強度最大方向とが同じであることを特徴とする構成となっている。
【００１８】
この構成の光走査装置では、請求項５又は６に係る発明の作用に加え、回折手段は、その回折手段を構成する個別の格子要素が有する入射した光束に対する回折強度分布の最大方向と、その回折手段が有する周期構造に基づく回折強度最大方向とが同じであるので、回折効率を向上させることができる。
【００１９】
また、請求項８に係る発明の光走査装置は、請求項４乃至７の何れかに記載の発明の構成に加え、前記光偏向手段は、複数種類の波長の光束をそれぞれ回折するための各光束の波長に対応した回折手段が、略同一面上で前記浮遊回転板に形成されていることを特徴とする構成となっている。
【００２０】
この構成の光走査装置では、請求項４乃至７の何れかに係る発明の作用に加え、各光束の波長に対応した回折手段が略同一面上で浮遊回転板に形成されているので、光偏向手段は複数種類の波長の光束をそれぞれ回折することができる。
【００２１】
また、請求項９に係る発明の光走査装置は、請求項４乃至７の何れかに記載の発明の構成に加え、前記光偏向手段は、複数種類の波長の光束をそれぞれ回折するための各光束の波長に対応した回折手段が、前記中心軸線方向に積層されて前記浮遊回転板に形成されていることを特徴とする構成となっている。
【００２２】
この構成の光走査装置では、請求項４乃至７の何れかに係る発明の作用に加え、各光束の波長に対応した回折手段が中心軸線方向に積層されて浮遊回転板に形成されているので、光偏向手段は複数種類の波長の光束をそれぞれ回折することができる。
【００２３】
また、請求項１０に係る発明の光走査装置は、請求項４乃至９の何れかに記載の発明の構成に加え、前記光偏向手段は、入射された光束を複数方向へ回折するために、各回折方向に対応した複数の回折手段が略同一面上で前記浮遊回転板に形成されていることを特徴とする構成となっている。
【００２４】
この構成の光走査装置では、請求項４乃至９の何れかに係る発明の作用に加え、各回折方向に対応した複数の回折手段が略同一面上で浮遊回転板に形成されているので、光偏向手段は入射された光束を複数方向へ回折することができる。
【００２５】
また、請求項１１に係る発明の光走査装置は、請求項４乃至９の何れかに記載の発明の構成に加え、前記光偏向手段は、入射された光束を複数方向へ回折するために、各回折方向に対応した複数の回折手段が前記中心軸線方向に積層されて前記浮遊回転板に形成されていることを特徴とする構成となっている。
【００２６】
この構成の光走査装置では、請求項４乃至９の何れかに係る発明の作用に加え、各回折方向に対応した複数の回折手段が中心軸線方向に積層されて浮遊回転板に形成されているので、光偏向手段は入射された光束を複数方向へ回折することができる。
【００２７】
また、請求項１２に係る発明の光走査装置は、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の構成に加え、前記光偏向手段は、光束を反射可能な多面鏡により構成されたことを特徴とする構成となっている。
【００２８】
この構成の光走査装置では、請求項１乃至３の何れかに係る発明の作用に加え、光偏向手段は、光束を反射可能な多面鏡により構成されており、入射した光束を所定方向に偏向することができる。
【００２９】
また、請求項１３に係る発明の光走査装置は、請求項１２に記載の発明の構成に加え、前記多面鏡は、多角柱、もしくは多角錐、又は多角錐台のうち何れかの側面部分に形成されていることを特徴とする構成となっている。
【００３０】
この構成の光走査装置では、請求項１２に係る発明の作用に加え、多面鏡は、多角柱、もしくは多角錐、又は多角錐台のうち何れかの側面部分に形成されており、入射した光束を所定方向に偏向することができる。
【００３１】
また、請求項１４に係る発明の光走査装置は、請求項１乃至１３の何れかに記載の発明の構成に加え、前記浮遊回転板及び前記収納筐体の何れか一方、もしくは両方に、光束を前記光偏向手段を介して伝搬させるための導波路構造が形成されていることを特徴とする構成となっている。
【００３２】
この構成の光走査装置では、請求項１乃至１３の何れかに係る発明の作用に加え、浮遊回転板及び収納筐体の何れか一方、もしくは両方に、形成された導波路構造により、光偏向手段を介して光束を伝搬することができる。
【００３３】
また、請求項１５に係る発明の光走査装置は、請求項１乃至１４の何れかに記載の発明の構成に加え、前記浮遊回転板は導電性の材料より構成され、前記収納筐体は絶縁性の材料より構成され、前記浮遊回転板の両面と、前記収納筐体内面上壁及び内面底壁とに各々対向する電極が形成されていることを特徴とする構成となっている。
【００３４】
この構成の光走査装置では、請求項１乃至１４の何れかに係る発明の作用に加え、浮遊回転板は導電性の材料より構成され、収納筐体は絶縁性の材料より構成され、浮遊回転板の両面と、収納筐体内面上壁及び内面底壁とに各々対向する電極が形成されているので、両電極間における静電力により、浮遊回転板を浮遊させるとともに回転駆動させることができる。
【００３５】
また、請求項１６に係る発明の光走査装置を備えた画像形成装置は、少なくとも１つの光源と、その光源から出射される光束を画像信号に応じて変調する変調手段と、前記変調された光束を二次元的に走査させる走査手段と、前記走査された光束を観察者の瞳孔に入射するための光学系を備えた画像形成装置において、請求項１乃至１５の何れかに記載の光走査装置を少なくとも一つ備えたことを特徴とする構成となっている。
【００３６】
この構成の光走査装置を備えた画像形成装置では、請求項１乃至１５の何れかに記載の光走査装置を少なくとも一つ備え、変調手段が少なくとも１つの光源から出射される光束を画像信号に応じて変調し、走査手段が変調された光束を二次元的に走査させ、光学系により走査された光束を観察者の瞳孔に入射することができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光走査装置及び光走査装置を備えた画像形成装置を具体化した実施の形態について図面を参照して説明する。まず、光走査装置１の全体構成について、図１乃至図７を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態における光走査装置１の構造を模式的に表した斜視図であり、図２は、その断面構造を模式的に表した断面図である。また、図３は、第２の実施の形態における光走査装置１の構造を模式的に表した斜視図であり、図４は、その断面構造を模式的に表した断面図である。図５は、屈折率分布により形成した回折格子を有する浮遊回転板２の部分断面図である。また、図６（Ａ）は、第１の実施の形態における光走査装置１のＸＺ平面における断面図であり、図６（Ｂ）は、第１の実施の形態における光走査装置１のＸＹ平面における平面図である。図７（Ａ）は、第２の実施の形態における光走査装置１のＸＺ平面における断面図であり、図７（Ｂ）は、第２の実施の形態における光走査装置１のＸＹ平面における平面図である。尚、以下の説明においては、図１に示されるように、後述する浮遊回転板２の中心軸線に沿って上下方向にＺ軸を、浮遊回転板２の半径方向にＸ軸、Ｘ軸及びＺ軸と直交するＹ軸をとることとする。
【００３８】
図１乃至図４に示すように、光走査装置１は、浮遊回転板２と、内部に空間部３ａが形成されて浮遊回転板２をその空間部３ａ内に収納する収納筐体３とから構成されている。浮遊回転板２は、シリコン等の導電性材料からなる円盤状の部材であり、基板層５と、基板層５の上に積層形成された光偏向層６と、基板層５及び光偏向層６を上下から挟むように突起状に形成された電極群９とから構成されている。電極群９は、図１及び図２に示す、第１の実施の形態においては円盤状の周辺部近傍に、図３及び図４に示す、第２の実施の形態においては円盤状の中心部近傍に各々設けられている。また、浮遊回転板２は、厚さが約０．１ｍｍ程度、直径が約５ｍｍ程度と極めて小型に形成されている。
【００３９】
光偏向層６には、光束を導くための透明な光導波路２０が形成され、第１の実施の形態においては回転中心を含む円形の領域に、光束を偏向するための回折部７１が形成されている。また、第２の実施の形態においては円盤状の周辺部近傍の領域に、光束を偏向するための回折部７１が形成されている。尚、回折部７１が本発明の光偏向手段及び回折手段を構成するものである。回折部７１は、図５に示す、浮遊回転板２の光偏向層６の拡大断面図に表されるように、ストライプ状の屈折率分布を有する領域である。すなわち、回折部７１は、光導波路２０と屈折率が異なる複数の格子領域７１ａが等間隔なストライプ状に形成された回折格子である。格子間隔ｄ、すなわち、各格子領域７１ａのピッチは、入射される光束の波長の整数倍に設定されている。尚、光導波路２０と格子領域７１ａとは、単に屈折率が異なっていればよく、屈折率の大小関係は問わない。
【００４０】
収納筐体３は、絶縁性を有するガラス材料からなり、全体が円筒状に形成され、且つ内部に空間部を有するカプセル状の部材である。このガラス材料の性質として、さらに、耐圧性及び耐熱性を有することが望ましい。収納筐体３は、円筒外周部をなす壁面ガラス板３ｄと、円筒上面部をなす上面ガラス板３ｂと、円筒底面部をなす底面ガラス板３ｃから形成され、内部にはこれらの部材に囲まれた空間部３ａが形成されている。つまり、上面ガラス板３ｂと底面ガラス板３ｃとは、空間部３ａを挟んで、その空間部３ａに収納される浮遊回転板２のＺ軸方向において対向している。
【００４１】
そして、収納筐体３のＺ軸方向の内壁面、すなわち上面ガラス板３ｂの下面、及び底面ガラス板３ｃの上面には、突起状に形成された電極群４が各々設けられている。この電極群４は、上面ガラス板３ｂの下面、及び底面ガラス板３ｃの上面と各々対向する浮遊回転板２の各面上に設けられた電極群９とそれぞれ対をなし、本発明の浮遊回転駆動手段及び位置検出手段を構成する。
【００４２】
壁面ガラス板３ｄには、Ｚ軸方向において浮遊回転板２に設けられた光導波路２０と略同一の高さに光導波路３ｅが環状に形成されている。よって、光導波路２０内をＸＹ平面上のいずれかの方向に伝搬した光束は、さらに光導波路３ｅ内を伝搬した後、この光導波路３ｅより装置外方へ出射されるのである。尚、光導波路２０及び光導波路３ｅが、本発明の導波路構造を構成するものである。
【００４３】
収納筐体３内部の空間部３ａは、浮遊回転板２の回転時における空気抵抗を減ずるために減圧封止されており、略真空状態となるまで減圧されてる。さらに、収納筐体３の壁面ガラス板３ｄの内部には、図示外の排気室が設けられ、空間部３ａ側の壁面に対して極小に設けられた気孔を介し、排気室と空間部３ａは連通されている。この排気室には、気体を吸着して排気できるゲッタ材（図示外）が設置され、このゲッタ材の活性効果によって空間部３ａは略真空状態として維持される。
【００４４】
浮遊回転板２は、後述の浮遊回転駆動手段によって浮遊状態に維持されるので、空間部３ａが略真空状態の収納筐体３の内壁面とは非接触状態に維持される。従って、浮遊回転板２に対する外部からの力の作用は及ばないので、外部からのいかなる力の作用が収納筐体３に及んだとしても、浮遊回転板２の各軸方向と、収納筐体３の各軸方向との相対的な向きの関係は慣性の法則によって維持される。
【００４５】
次に、図６及び図７を参照して、収納筐体３及び浮遊回転板２の電極群４，９の構造について説明する。図６（Ａ），図７（Ａ）に示す、光走査装置１のＸＺ平面での断面図における、二点鎖線ＡＡ’間において＋Ｚ方向に見た光走査装置１のＸＹ平面での切断面を、各々図６（Ｂ），図７（Ｂ）左側に示す。また、二点鎖線ＡＡ’間において−Ｚ方向に見た光走査装置１のＸＹ平面での切断面を、各々図６（Ｂ），図７（Ｂ）右側に示す。浮遊回転板２の上面及び下面には、図６（Ｂ），図７（Ｂ）右側に示す、電極９ａ，９ｂ，９ｃがそれぞれ突起状に形成されている。また、図６（Ｂ），図７（Ｂ）左側に示すように、収納筐体３の内面の上壁面には電極４ａ，４ｂ，２０１〜２０４が、収納筐体３の内面の底壁面には電極４ａ，４ｂ，３０１〜３０４（図示外）が、電極９ａ，９ｂ，９ｃとそれぞれ対をなすように突起状に形成されている。尚、電極２０１〜２０４と電極３０１〜３０４とは浮遊回転板２上の、前者は上面、後者は下面に、各々が対となる部位に設けられた電極である。
【００４６】
浮遊回転板２の上下面上の円周周辺部には、浮遊回転板２の静電支持用の電極９ｃが同心の環状をなすように複数本形成されており、収納筐体３内面の上壁面には、電極９ｃとそれぞれ対をなす静電支持用の電極２０３ａ，２０３ｂが、同心の扇状で櫛形をなすように交互に交錯して複数本形成されている。さらに、電極２０３ａ，２０３ｂは扇形の電極群として電極２０３を形成し、同様の構成で４組、すなわち電極２０１〜２０４として、同一円周上に列設されている。そして、収納筐体３内面の底壁面にも同様な構成で、電極２０１〜２０４と対向する位置に、電極３０１〜３０４の４組が同一円周上に列設されている。第１及び第２の実施の形態の光走査装置１では、電極２０１〜２０４，３０１〜３０４及び９ｃは円周方向で合計３対の、環状又は扇状で櫛形をなす電極対であるが、実際には多数形成されており、例えば各々２０対形成されている。
【００４７】
また、浮遊回転板２の駆動用の電極９ｂは電極９ｃより内側の同心の円周上に複数形成され、それぞれ扇形をなす電極として環状に列設されている。さらに、同じく駆動用の電極４ｂは収納筐体３内面の上下壁面上に、電極９ｂと対をなすように電極２０１〜２０４及び３０１〜３０４より内側の同心の円周上に同様に複数列設されている。第１及び第２の実施の形態の光走査装置１では、電極９ｂ，４ｂはそれぞれ４個，１２個形成されている。
【００４８】
また、浮遊回転板２の変位検出用の電極９ａは浮遊回転板２の上下面上の電極９ｂより内側の円周上に環状に形成され、収納筐体３内面の上下壁面上には、同じく変位検出用の電極４ａが、電極９ａと対をなすように電極４ｂの内側の円周上に、同様に環状に形成されている。
【００４９】
次に、光走査装置１の電気的構成について、図２及び図４を参照して説明する。光走査装置１は、浮遊回転板２を駆動、制御するための制御部１１を備えている。制御部１１は、変位演算部１２と、ＰＩＤ演算部１３と、制御電圧演算部１４と、制御電圧発生器１５と、駆動部１６とから構成されている。変位演算部１２では、電極２０１〜２０４と電極３０１〜３０４との間に変位検出用交流電圧を印加することによって電極４ａで電流が発生し、これに基づいて浮遊回転板２のＸ，Ｙ，Ｚ方向の直線変位、及びＸ軸まわり，Ｙ軸まわりの回転変位について演算が施される。ＰＩＤ演算部１３では、浮遊回転板２にかかる慣性による変位をゼロに補正するため、電極２０１〜２０４，３０１〜３０４に印加する直流電圧を算出するための元となる、直線加速度及び回転モーメントを演算するＰＩＤ制御処理が行われる。また、制御電圧演算部１４では、浮遊回転板２を回転駆動させるための駆動電圧の位相をずらすための演算と、ＰＩＤ演算部１３の処理に基づいて浮遊回転板２の変位を制御するための制御用直流電圧の変化量の演算とを行い、制御電圧発生器１５では、浮遊回転板２に回転駆動力を与える駆動電圧と、制御電圧演算部１４での処理に基づいて浮遊回転板２の変位を制御する直流電圧と、収納筐体３に対する浮遊回転板２の位置を検出するための制御用交流電圧とを発生する。駆動部１６では、制御電圧発生器１５で発生された制御用直流電圧及び制御用交流電圧が加算され、電極２０１〜２０４，３０１〜３０４に印加されるとともに、駆動電圧が電極４ｂに印加され、浮遊回転板２に浮遊力・回転力・並進力が与えられる。
【００５０】
また、ＰＩＤ演算部１３での処理結果は、加速度出力演算部１７にも出力される。加速度出力演算部１７では、ＰＩＤ演算部１３での演算された直線加速度及び回転モーメントに基づき、光走査装置１に加わる外力による加速度及び角速度が演算される。この演算結果に基づいて、光走査装置変位演算部１８では、光走査装置１の相対的な直線変位及び回転変位が演算され、外部機器（図示外）に出力され、利用される。
【００５１】
次に、浮遊回転板２の浮遊・回転の原理及び変位測定の原理について説明する。尚、収納筐体３内で浮遊回転板２が、静電力によって浮遊状態に支持され、駆動され、慣性の影響による変位が検出され、検出値に基づいて変位が補正され、さらにその変位の検出値に基づいて収納筐体３の並進加速度及び角速度が演算される手段については、本願出願人による特許第３００８０７４号公報等において詳しく説明されているので、ここでは、図６及び図７を参照して、その概略について説明する。
【００５２】
図６及び図７に示すように、制御手段が電極２０１〜２０４，３０１〜３０４に制御用の直流電圧が印加されることで、電極２０１〜２０４，３０１〜３０４と電極９ｃとの間に静電力が発生し、浮遊回転板２は浮動的に支持される。つまり、電極２０３を構成する交互に交錯した櫛形の電極２０３ａ，２０３ｂにおいて、電極２０３ａ，２０３ｂそれぞれに、大きさが等しく極性が反対の制御用直流電圧が印加されると、電極２０３ａ，２０３ｂと、その各々と対向する浮遊回転板２上の電極９ｃとの間での電荷が等しくなる。従って、浮遊回転板２の、電極２０３と対向する部分での電位は常にゼロとなる。さらに同様に電極２０１，２０２，２０４及び３０１〜３０４にもそれぞれ両極性の電圧が印加されることによって、制御手段は浮遊回転板２の電位を常にゼロとすることができる。さらに、電極２０１〜２０４、すなわち浮遊回転板２の＋Ｚ側に印加する電圧と、電極３０１〜３０４、すなわち−Ｚ側に印加する電圧を各々制御することで、浮遊回転板２をＺ軸方向に変位させることができ、制御手段は浮遊回転板２をＺ軸方向に拘束することができる。また、電極２０１〜２０４，３０１〜３０４からなる扇形の電極群はＸ，Ｙ軸の正負両方向にそれぞれ上下１組ずつ設けられているので、制御手段は、各方向の電極群に印加する制御用直流電圧を制御することで、ＸＹ軸平面上で浮遊回転板２にかかる静電力を調整でき、浮遊回転板２をＸＹ平面上で拘束することができる。
【００５３】
また、上記制御用直流電圧に制御用交流電圧が加算され、電極２０１〜２０４，３０１〜３０４に印加されることで、電極４ａに電流が流れる。さらに、この電流が図示外のプリアンプで電圧に変換され出力され、この電圧に基づいて変位演算部１２において演算を施されことによって、浮遊回転板２の３軸、すなわちＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の直線変位、及び２軸、すなわちＸ，Ｙ軸に対する回転変位が測定される。この過程は本発明における位置検出手段においてなされる。
【００５４】
また、浮遊回転駆動手段では、収納筐体３の上下壁面上に円環をなすように１２個設けられた電極４ｂのうち、３つ毎に離れて設けられた電極４個を１組とし、隣接する電極毎にそれぞれ位相のずれた３相の駆動電圧が印加される。駆動電圧は、制御電圧演算部１４における処理に基づいて制御電圧発生器１５で３相に位相のずれた駆動電圧として発生される。この電極４ｂと対をなす電極９ｂとの間で、静電力を発生させる電圧の印加される電極が時間毎に隣の電極に順次切り換えられることで、浮遊回転板２はＺ軸を中心とした円周方向に回転力を得て回転駆動を行うことができる。
【００５５】
尚、制御部１１、加速度出力演算部１７及び光走査装置変位演算部１８における光走査装置１の制御に関する具体的な数値演算については、本願出願人による特許第３００８０７４号公報等において詳しく説明されているので、ここではその概略について、図６及び図７を参照して説明する。
【００５６】
まず、収納筐体３内における浮遊回転板２の相対的な変位を検出する演算方法について以下に説明する。
【００５７】
まず、浮遊回転板２のＸＺ平面方向での変位について説明する。図６及び図７に示すように、電極２０１，３０１及び２０３，３０３に印加される制御用直流電圧に、重畳して印加される検出用交流電圧ＡＣ_２０１，ＡＣ_３０１，ＡＣ_２０３，ＡＣ_３０３は以下の式で与えたれる。
ＡＣ_２０１＝−ＥＸ−Ｅθ−ＥＺ・・・（１）
ＡＣ_３０１＝−ＥＸ＋Ｅθ＋ＥＺ・・・（２）
ＡＣ_２０３＝＋ＥＸ＋Ｅθ−ＥＺ・・・（３）
ＡＣ_３０３＝＋ＥＸ−Ｅθ＋ＥＺ・・・（４）
【００５８】
さらに、検出用交流電圧ＡＣ_２０１，ＡＣ_３０１，ＡＣ_２０３，ＡＣ_３０３の右辺の各項は以下のように展開される。
＋ＥＸ＝Ｅ_０ｃｏｓ（ω_Ｘｔ＋ζ_Ｘ）
−ＥＸ＝Ｅ_０ｃｏｓ（ω_Ｘｔ＋η_Ｘ）
＋Ｅθ＝Ｅ_０ｃｏｓ（ω_θｔ＋ζ_θ）
−Ｅθ＝Ｅ_０ｃｏｓ（ω_θｔ＋η_θ）
＋ＥＺ＝Ｅ_０ｃｏｓ（ω_Ｚｔ＋ζ_Ｚ）
−ＥＺ＝Ｅ_０ｃｏｓ（ω_Ｚｔ＋η_Ｚ）
【００５９】
ここで、±ＥＸは浮遊回転板２のＸ軸方向の直線変位ΔＸを検出するための電圧成分、±Ｅθは浮遊回転板２のＹ軸まわりの回転変位Δθを検出するための電圧成分、±ＥＺは浮遊回転板２のＺ軸方向の直線変位ΔＺを検出するための電圧成分、ω_Ｘ，ω_Ｙ，ω_θは変位検出用周波数である。
【００６０】
さらに、±ＥＸ，±Ｅθ，±ＥＺの符号は互いに１８０度の位相差を表す。従って、位相差ζ，ηについては、次の関係がある。
η_Ｚ＝ζ_Ｘ±１８０°
η_Ｚ＝ζ_Ｚ±１８０°
η_θ＝ζ_θ±１８０°
【００６１】
また、ＹＺ平面方向においても同様の考察を行うことで、以下の式が導き出せる。
ＡＣ_２０２＝−ＥＹ−Ｅφ−ＥＺ
ＡＣ_３０２＝−ＥＹ＋Ｅφ＋ＥＺ
ＡＣ_２０４＝＋ＥＹ＋Ｅφ−ＥＺ
ＡＣ_３０４＝＋ＥＹ−Ｅφ＋ＥＺ
＋ＥＹ＝Ｅ_０ｃｏｓ（ω_Ｙｔ＋ζ_Ｙ）
−ＥＹ＝Ｅ_０ｃｏｓ（ω_Ｙｔ＋η_Ｙ）
＋Ｅφ＝Ｅ_０ｃｏｓ（ω_φｔ＋ζ_φ）
−Ｅφ＝Ｅ_０ｃｏｓ（ω_φｔ＋η_φ）
＋ＥＺ＝Ｅ_０ｃｏｓ（ω_Ｚｔ＋ζ_Ｚ）
−ＥＺ＝Ｅ_０ｃｏｓ（ω_Ｚｔ＋η_Ｚ）
ただし、
η_Ｙ＝ζ_Ｙ±１８０°
η_Ｚ＝ζ_Ｚ±１８０°
η_φ＝ζ_φ±１８０°
【００６２】
また、浮遊回転板２のＸＺ平面方向において、例えば浮遊回転板２がＸ軸方向にΔＸだけ直線変位し、Ｙ軸まわりに回転角Δθだけ回転変位し、Ｚ軸方向にΔＺだけ直線変位した場合における電極２０１，３０１，２０３，３０３と、電極９ｃとの間の静電容量Ｃ_２０１，Ｃ_３０１，Ｃ_２０３，Ｃ_３０３の関係は、次のように表される。
Ｃ_２０１＝Ｃ_０（１＋ΔＸ＋ΔＺ＋Δθ）・・・（５）
Ｃ_３０１＝Ｃ_０（１＋ΔＸ−ΔＺ−Δθ）・・・（６）
Ｃ_２０３＝Ｃ_０（１−ΔＸ＋ΔＺ−Δθ）・・・（７）
Ｃ_３０３＝Ｃ_０（１−ΔＸ−ΔＺ＋Δθ）・・・（８）
【００６３】
ここで、Ｃ_０は全ての変位がゼロのときの各電極間の静電容量である。逆に、この式から各変位ΔＸ，ΔＺ，Δθを、各電極間の静電容量によって表すことができる。
ΔＸ＝（１／４Ｃ_０）（Ｃ_２０１＋Ｃ_３０１−Ｃ_２０３−Ｃ_３０３）
Δθ＝（１／４Ｃ_０）（Ｃ_２０１−Ｃ_３０１−Ｃ_２０３＋Ｃ_３０３）
ΔＺ＝（１／４Ｃ_０）（Ｃ_２０１−Ｃ_３０１＋Ｃ_２０３−Ｃ_３０３）
【００６４】
また、電極２０３ａ，２０３ｂには、互いに大きさが等しく極性が反対の制御用直流電圧±Ｖ_２０３が印加され、同様に電極２０１，３０１，３０３にもそれぞれ±Ｖ_２０１，±Ｖ_３０１，±Ｖ_３０３が印加される。これによって、浮遊回転板２上の両電極間における中点での電位はゼロとなる。本発明における第１及び第２の実施の形態の例では、対となる各静電支持電極２０１〜２０４，３０１〜３０４には、それぞれ大きさが同じで極性が異なる制御用直流電圧が印加されるので、浮遊回転板２の電位はゼロとなる。
【００６５】
電極２０１，２０３，３０１，３０３に印加する制御用直流電圧に重畳して、それぞれ検出用交流電圧ＡＣ_２０１，ＡＣ_２０３，ＡＣ_３０１，ＡＣ_３０３を印加すると、変位検出用電極４ａ間では変位検出用交流電流ｉ_ｐが発生する。このｉ_ｐは次の式によって表される。尚、ｓはラプラス演算子である。Ｃ_２０Ｆは、上面ガラス板３ｂ上の電極４ａと浮遊回転板２の上面の電極９ａとの間の静電容量であり、Ｃ_３０Ｆは、底面ガラス板３ｃ上の電極４ａと浮遊回転板２の下面の電極９ａとの間の静電容量である。
ｉ_ｐ＝Ｋ_１３（Ｃ_２０１ＡＣ_２０１＋Ｃ_２０３ＡＣ_２０３＋Ｃ_３０１ＡＣ_３０１＋Ｃ_３０３ＡＣ_３０３）
Ｋ_１３＝２（Ｃ_２０Ｆ＋Ｃ_３０Ｆ）ｓ／（２Ｃ_２０１＋２Ｃ_２０３＋２Ｃ_３０１＋２Ｃ_３０３＋Ｃ_２０Ｆ＋Ｃ_３０Ｆ）
【００６６】
数式（１）〜（８）によって表される検出用交流電圧ＡＣ_２０１，ＡＣ_２０３，ＡＣ_３０１，ＡＣ_３０３及び静電容量Ｃ_２０１，Ｃ_２０３，Ｃ_３０１，Ｃ_３０ _３を代入して展開すると、変位検出用交流電流ｉ_ｐは次のように表される。
ｉ_ｐ＝Ｋ_１３’（ＥＸΔＸ＋ＥθΔθ＋ＥＺΔＺ）
Ｋ_１３’＝−８ｓ（Ｃ_２０Ｆ＋Ｃ_３０Ｆ）／（８Ｃ_０＋Ｃ_２０Ｆ＋Ｃ_３０Ｆ）
【００６７】
また、ＹＺ平面方向においても同様の考察を行うことで、以下の式が導き出せる。
Ｃ_２０２＝Ｃ_０（１＋ΔＹ＋ΔＺ＋Δφ）
Ｃ_３０２＝Ｃ_０（１＋ΔＹ−ΔＺ−Δφ）
Ｃ_２０４＝Ｃ_０（１−ΔＹ＋ΔＺ−Δφ）
Ｃ_３０４＝Ｃ_０（１−ΔＹ−ΔＺ＋Δφ）
ΔＹ＝（１／４Ｃ_０）（Ｃ_２０２＋Ｃ_３０２−Ｃ_２０４−Ｃ_３０４）
Δφ＝（１／４Ｃ_０）（Ｃ_２０２−Ｃ_３０２−Ｃ_２０４＋Ｃ_３０４）
ΔＺ＝（１／４Ｃ_０）（Ｃ_２０２−Ｃ_３０２＋Ｃ_２０４−Ｃ_３０４）
ｉ_ｐ＝Ｋ_Ｉ（ＥＹΔＹ＋ＥφΔφ＋ＥＺΔＺ）
Ｋ_Ｉ＝−８ｓ（Ｃ_２０Ｆ＋Ｃ_３０Ｆ）／（８Ｃ_０＋Ｃ_２０Ｆ＋Ｃ_３０Ｆ）
【００６８】
ここで、Ｋ_Ｉは比例定数、ｓはラプラス演算子である。この変位検出用交流電圧Ｖ_Ｐは、次の式によって表される。
Ｖ_Ｐ＝Ｖ_Ｐ（Ｘ）＋Ｖ_Ｐ（Ｙ）＋Ｖ_Ｐ（Ｚ）＋Ｖ_Ｐ（θ）＋Ｖ_Ｐ（φ）・・・（９）
【００６９】
ここで、右辺の各項は各変位ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ，Δθ，Δφに対応した電圧成分であり、次のように表される。
Ｖ_Ｐ（Ｘ）＝Ｋ_ＩＥＸΔＸ＝Ｋ_ＶＸＥ_０ω_ＸΔＸｓｉｎ（ω_Ｘｔ＋ζ_Ｘ）・・・（１０）
Ｖ_Ｐ（Ｙ）＝Ｋ_ＩＥＹΔＹ＝Ｋ_ＶＹＥ_０ω_ＹΔＹｓｉｎ（ω_Ｙｔ＋ζ_Ｙ）・・・（１１）
Ｖ_Ｐ（Ｚ）＝Ｋ_ＩＥＺΔＺ＝Ｋ_ＶＺＥ_０ω_ＺΔＺｓｉｎ（ω_Ｚｔ＋ζ_Ｚ）・・・（１２）
Ｖ_Ｐ（θ）＝Ｋ_ＩＥθΔθ＝Ｋ_ＶθＥ_０ω_θΔθｓｉｎ（ω_θｔ＋ζ_θ）・・・（１３）
Ｖ_Ｐ（φ）＝Ｋ_ＩＥφΔφ＝Ｋ_ＶφＥ_０ω_φΔφｓｉｎ（ω_φｔ＋ζ_φ）・・・（１４）
【００７０】
ここで、Ｋ_ＶＸ，Ｋ_ＶＹ，Ｋ_ＶＺ，Ｋ_Ｖθ，Ｋ_Ｖφは電極間の静電容量Ｃ_０，Ｃ_２０Ｆ，Ｃ_３０Ｆによって決まる定数である。数式（９）〜（１４）の式より明らかなように、変位検出用交流電圧Ｖ_Ｐは浮遊回転板２の全ての変位を独立的に含む。従って、数式（９）より所望の電圧成分を取り出せば、それに対応した変位が得られる。例えば、直線変位ΔＸ，ΔＹ，ΔＺと回転変位Δθ，Δφが２つ以上重畳した場合でも、それに対応した電圧成分を取り出せば各変位が得られる。また、この式は、変位検出用交流電圧Ｖ_Ｐが直線変位ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ及び回転変位Δθ，Δφに対応した各変位検出用周波数ω_Ｘ，ω_Ｙ，ω_Ｚ，ω_θ，ω_φによって振幅変調されていることを示している。
【００７１】
次に、浮遊回転板２を制御するために印加する電圧の変化量と、収納筐体３の並進加速度及び角速度を算出する演算方法について、図１７を参照して以下に説明する。図１７（Ａ）は、電極２０１〜２０４，３０１〜３０４と、電極９ｃとを模式的なコンデンサとして考えた、制御部１１の動作を説明するための模式図であり、図１７（Ｂ）は、直線加速度ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ及び回転モーメントｆθ，ｆφを無次元化する方法を説明するための模式図である。
【００７２】
図１７（Ａ）に示すように、浮遊回転板２の上面に環状に設けられた複数本の電極９ｃのうちの任意の１本である電極９０と、それに対向する収納筐体３の上面ガラス板３ｂの下面の電極２０１〜２０４のうち、櫛状をなす電極２０１の任意の１本である電極４０とを、１つの模式的なコンデンサとして考えることとする。
【００７３】
電極４０は電極９０に対して浮遊回転板２の半径方向外方に距離δ_２だけ偏倚されており、両者が重なり合う部分がコンデンサとなる。このコンデンサは浮遊回転板２の半径ｒの位置に配置され、半径方向の幅がＬ、円周方向の幅がＢ、間隙がδであるものとする。直線変位ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ及び回転変位Δθ，Δφの無次元化は次の式によってなされる。尚、添字Ｎは無次元量を表す。
ΔＸ_Ｎ＝ΔＸ／Ｌ
ΔＹ_Ｎ＝ΔＹ／Ｌ
ΔＺ_Ｎ＝ΔＺ／δ
Δθ_Ｎ＝Δθ／（δ／ｒ）
Δφ_Ｎ＝Δφ／（δ／ｒ）
【００７４】
次に、図１７（Ｂ）を参照して、直線加速度ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ及び回転モーメントｆθ，ｆφを無次元化する方法を説明する。直線加速度ｆｘ，ｆｙ，ｆｚは次の式によってなされる。
ｆｘ_Ｎ＝ｆｘ（Ｃ_０Ｖ_０ ^２／Ｌ）^−１
ｆｙ_Ｎ＝ｆｙ（Ｃ_０Ｖ_０ ^２／Ｌ）^−１
ｆｚ_Ｎ＝ｆｚ（Ｃ_０Ｖ_０ ^２／δ）^−１
ｆθ_Ｎ＝ｆθ（ｒＣ_０Ｖ_０ ^２／δ）^−１
ｆφ_Ｎ＝ｆφ（ｒＣ_０Ｖ_０ ^２／δ）^−１
【００７５】
ここで添字Ｎは無次元量を表す。Ｃ_０は浮遊回転板２の変位がゼロのときの静電容量であり、誘電率εを使用してＣ_０＝εＢＬ／δと表される。Ｖ_０は浮遊回転板２の変位がゼロのときの制御用直流電圧、ｒは半径、すなわち浮遊回転板２の回転中心軸からコンデンサまでの距離を表す。δは電極４０，９０間の間隔である。浮遊回転板２に付与すべき力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びトルクＴθ，Ｔφは次のように表すことができる。
Ｆｘ＝ｆｘ_Ｎ
Ｆｙ＝ｆｙ_Ｎ
Ｆｚ＝ｆｚ_Ｎ
Ｆθ＝ｆθ_Ｎ
Ｆφ＝ｆφ_Ｎ
【００７６】
次に、無次元化された力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びトルクＴθ，Ｔφより、制御用直流電圧の変化量ΔＶ_２０１〜ΔＶ_２０４，ΔＶ_３０１〜ΔＶ_３０４を演算する。
【００７７】
電極２０１，３０１及び２０３，３０３に印加する制御用直流電圧±Ｖ_２０１，±Ｖ_３０１及び±Ｖ_２０３，±Ｖ_３０３の変化量±ΔＶ_２０１，±ΔＶ_３０１及び±ΔＶ_２０３，±ΔＶ_３０３について考える。４つの変化量±ΔＶ_２０１，±ΔＶ_３０１及び±ΔＶ_２０３，±ΔＶ_３０３の各々は３つの無次元化された力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びトルクＴθ，Ｔφによって表すことができる。また、電極２０２，３０２及び２０４，３０４に印加する制御用直流電圧±Ｖ_２０２，±Ｖ_３０２及び±Ｖ_２０４，±Ｖ_３０４の変化量±ΔＶ_２０２，±ΔＶ_３０２及び±ΔＶ_２０４，±ΔＶ_３０４についても、各々同様に力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びトルクＴθ，Ｔφによって表すことができる。
【００７８】
従って、これらの変化量を求めるために、さらに以下のもう１つの条件を設ける。
ΔＶ_２０１＋ΔＶ_３０１＋ΔＶ_２０３＋ΔＶ_３０３＝０・・・（１５）
ΔＶ_２０２＋ΔＶ_３０２＋ΔＶ_２０４＋ΔＶ_３０４＝０・・・（１６）
【００７９】
数式（１５）は浮遊回転板２のＸＺ平面方向、すなわち電極２０１，３０１及び２０３，３０３と、そのそれぞれと対向する浮遊回転板上の電極９ｃと、との間における、また、数式（１６）は浮遊回転板２のＹＺ平面方向、すなわち電極２０２，３０２及び２０４，３０４と、そのそれぞれと対向する浮遊回転板上の電極９ｃと、との間における制御用直流電圧の変化量の和がゼロであることを表す。この条件を設定することによって、浮遊回転板２に不要な電荷が流れ込むことが防止され、同時に８個の制御用直流電圧の変化量ΔＶ_２０１，ΔＶ_３０１，ΔＶ_２０３，ΔＶ_３０３、及びΔＶ_２０２，ΔＶ_３０２，ΔＶ_２０４，ΔＶ_３０ _４の値を一意的に決めることができる。
【００８０】
次に、無次元化された力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びトルクＴθ，Ｔφによって、制御用直流電圧の変化量を演算する。この演算式は次のように表される。
ΔＶ_２０１＝（Ｖ_０／４）（Ｆｘ＋Ｆｚ／２＋Ｔθ）
ΔＶ_３０１＝（Ｖ_０／４）（Ｆｘ−Ｆｚ／２−Ｔθ）
ΔＶ_２０２＝（Ｖ_０／４）（Ｆｙ＋Ｆｚ／２＋Ｔφ）
ΔＶ_３０２＝（Ｖ_０／４）（Ｆｙ−Ｆｚ／２−Ｔφ）
ΔＶ_２０３＝（Ｖ_０／４）（−Ｆｘ＋Ｆｚ／２−Ｔθ）
ΔＶ_３０３＝（Ｖ_０／４）（−Ｆｘ−Ｆｚ／２＋Ｔθ）
ΔＶ_２０４＝（Ｖ_０／４）（−Ｆｙ＋Ｆｚ／２−Ｔφ）
ΔＶ_３０４＝（Ｖ_０／４）（−Ｆｙ−Ｆｚ／２＋Ｔφ）
【００８１】
制御電圧発生器１５において発生され、電極２０１〜２０４，３０１〜３０４に供給される制御用直流電圧は、以下の式によって表される。
Ｖ_２０１＝Ｖ_０＋ΔＶ_２０１
Ｖ_３０１＝Ｖ_０＋ΔＶ_３０１
Ｖ_２０２＝Ｖ_０＋ΔＶ_２０２
Ｖ_３０２＝Ｖ_０＋ΔＶ_３０２
Ｖ_２０３＝Ｖ_０＋ΔＶ_２０３
Ｖ_３０３＝Ｖ_０＋ΔＶ_３０３
Ｖ_２０４＝Ｖ_０＋ΔＶ_２０４
Ｖ_３０４＝Ｖ_０＋ΔＶ_３０４
【００８２】
Ｖ_０は基準電圧である。電極２０１〜２０４，３０１〜３０４には各々制御用直流電圧Ｖ_２０１〜Ｖ_２０４，Ｖ_３０１〜Ｖ_３０４が印加される。
【００８３】
次に、浮遊回転板２に実際に作用する力を求める。浮遊回転板２の、電極２０１と電極３０１との間に挟まれた部分に作用する静電力Ｆｚ１は、制御用直流電圧Ｖ_２０１とＶ_３０１との差に比例する。電極２０２〜２０４と電極３０２〜３０４との間に挟まれた部分においても同様であり、以下の式に表すことができる。
Ｆｚ１＝Ｋ_Ｚ（Ｖ_２０１−Ｖ_３０１）
Ｆｚ２＝Ｋ_Ｚ（Ｖ_２０２−Ｖ_３０２）
Ｆｚ３＝Ｋ_Ｚ（Ｖ_２０３−Ｖ_３０３）
Ｆｚ４＝Ｋ_Ｚ（Ｖ_２０４−Ｖ_３０４）
【００８４】
Ｋ_Ｚは浮遊回転板２の電極９ｃと、収納筐体３の電極２０１〜２０４，３０１〜３０４とによって構成されるコンデンサの形状によって決まる定数である。浮遊回転板２に作用する静電力の合力は、浮遊回転板２の、電極２０１〜２０４と電極３０１〜３０４との間に挟まれた部分に対して作用する静電力の和であり、以下の式で表される。
Ｆｚ＝Ｋ_Ｚ（Ｖ_２０１−Ｖ_３０１＋Ｖ_２０２−Ｖ_３０２＋Ｖ_２０３−Ｖ_３０３＋Ｖ_２０４−Ｖ_３０４）・・・（１７）
【００８５】
前述のように、浮遊回転板２の上面に環状に設けられた複数本の電極９ｃと、それに対向する収納筐体３の電極２０１〜２０４，３０１〜３０４とは、浮遊回転板２の回転半径方向外方又は内方に偏倚しており、それによって浮遊回転板２はＸ軸方向及びＹ軸方向の力を受けている。浮遊回転板２に作用するＸ軸方向の力は、浮遊回転板２の、電極２０１，２０３と、電極３０１，３０３とに挟まれた各々の部分に作用する力であり、以下の式に表される。
Ｆｘ１＝Ｋ_Ｘ（Ｖ_２０１＋Ｖ_３０１）
ＦＸ３＝Ｋ_Ｘ（Ｖ_２０３＋Ｖ_３０３）
【００８６】
浮遊回転板２に作用するＸ軸方向の力は、この電極２０１，２０３と、電極３０１，３０３とに挟まれた各々の部分に作用する力であり、以下の式に表される。
Ｆｘ＝Ｆｘ１−Ｆｘ３＝Ｋ_Ｘ（Ｖ_２０１＋Ｖ_３０１−Ｖ_２０３−Ｖ_３０３）・・・（１８）
【００８７】
同様に、浮遊回転板２に作用するＹ軸方向の力は、浮遊回転板２の、電極２０２，２０４と、電極３０２，３０４とに挟まれた各々の部分に作用する力であり、以下の式に表される。
Ｆｙ＝Ｆｙ２−Ｆｙ４＝Ｋ_Ｙ（Ｖ_２０１＋Ｖ_３０１−Ｖ_２０３−Ｖ_３０３）・・・（１９）
【００８８】
また、浮遊回転板２のＸＺ平面方向において、前述の、Ｚ軸方向の静電力Ｆｚ１とＦｚ３とが互いに反対方向の力の作用である場合、浮遊回転板２をＹ軸まわりに回転させるトルクＴθが生成される。同様に、ＹＺ平面方向において、Ｚ軸方向の静電力Ｆｚ２とＦｚ４とが互いに反対方向の力の作用である場合、浮遊回転板２をＸ軸まわりに回転させるトルクＴφが生成される。このトルクＴθ，Ｔφは次の式によって表される。
Ｔθ＝（Ｆｚ３−Ｆｚ１）ｒ・・・（２０）
Ｔφ＝（Ｆｚ４−Ｆｚ２）ｒ・・・（２１）
【００８９】
次に、浮遊回転板２に印加すべき力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ及びトルクＴθ，Ｔφより、光走査装置１にかかる並進加速度α_ｘ，α_Ｙ，α_Ｚ及び角速度ｄθ／ｄｔ，ｄφ／ｄｔは、次の式で表される。
α_ｘ＝Ｆｘ／ｍｇ・・・（２２）
α_Ｙ＝Ｆｙ／ｍｇ・・・（２３）
α_Ｚ＝Ｆｚ／ｍｇ・・・（２４）
ｄθ／ｄｔ＝Ｔφ／Ｈ・・・（２５）
ｄφ／ｄｔ＝Ｔθ／Ｈ・・・（２６）
【００９０】
ｍは浮遊回転板２の質量、ｇは重力加速度、Ｈは浮遊回転板２のスピン角運動量である。数式（２２）〜（２６）の式の右辺は、浮遊回転板２の変位がゼロとなるように浮遊回転板２に印加すべき力又はトルクであり、数式（１７）〜（２１）の式によって表すことができる。
【００９１】
次に、第１及び第２の実施の形態の光走査装置１において、光を走査させる場合の作用について説明する。
【００９２】
図１乃至図４に示すように、光源（図示外）から浮遊回転板２に向かって光束が発せられると、その光束は上面ガラス板３ｂを透過し、光偏向層６上に形成された回折部７１に対して略垂直に入射される。
【００９３】
回折部７１は、その格子間隔が入射光の波長の整数倍に設定されており、浮遊回転板２の中心軸線方向から入射した光束は、浮遊回転板２のＸＹ平面方向に回折のピークを有する。回折部７１が単純なストライプ構造で形成されている場合、浮遊回転板２の中心軸線方向（Ｚ軸方向）から入射された光束は、その一部がＸＹ平面方向且つ回折部７１のストライプと垂直な方向に回折され、第１の実施の形態では±Ｘ方向にそれぞれ偏向された２本の光束となり、第２の実施の形態では−Ｘ方向に偏向された１本の光束となって光導波路２０内を伝搬する。光導波路２０を伝搬した光束は、光偏向層６の端部より出射され、さらに収納筐体３の壁面ガラス板３ｄにリング上に形成された光導波路３ｅに入射する。光束はこの光導波路３ｅを伝搬した後、その端面から装置外方へ出射される。従って、出射された光束は、浮遊回転板２の回転にともなって、回転走査されるのである。
【００９４】
以上説明したことから明らかなように、本発明の第１及び第２の実施の形態の光走査装置１によれば、収納筐体３の内部に極めて小型の浮遊回転板２を収納する構成とすることにより、光走査装置１を小型化することができるという効果がある。また、浮遊回転板２を収納筐体３内に収納したので、空気の流れから隔離されて、安定性が向上するという効果がある。また、収納筐体３内で浮遊回転板２を安定的且つ高速に回転させることにより、高速に光走査することができるという効果がある。また、浮遊回転板２の並進位置、中心軸線の傾き及び回転速度を検出して、光走査装置１を精密に制御するという効果がある。さらに、その検出値に基づいて演算を施すことで、光走査装置１の相対的な並進加速度及び角速度を算出して出力することができるという効果がある。
【００９５】
また、浮遊回転板２は、減圧封止された空間部３ａ内において空気抵抗をほとんど受けることがないのでエネルギーの損失が少なく、高い安定性を保ちつつ、且つ高速に回転駆動されるという効果がある。また、外部からの汚れや、異物の混入を防止できるので、初期の特性を長期に保つことができる。
【００９６】
また、浮遊回転板２に対して略垂直に光束を入射させるとともに浮遊回転板２と平行なＸＹ平面上の所定方向に偏向し、浮遊回転板２の回転により走査する。よって、光束が同一平面内で走査されるため、光学系が単純になるとともに、光走査装置１を極めて小型に構成することが可能となるという効果がある。また、浮遊回転板２に入射された光束は、回折部７１により偏向されるように構成したので、光偏向手段を浮遊回転板２の表面に２次元的に形成することができ、単純な構造で偏向効果を発揮させることができるという効果がある。
【００９７】
また、回折部７１は、浮遊回転板２上に形成された等間隔のピッチを有するストライプ状の屈折率分布により構成された回折格子であるので、シリコン等の材質からなる浮遊回転板２上に容易に回折格子を形成することができるという効果がある。回折部７１により偏向された光束は、光導波路２０，３ｅによって伝搬されるので、結合光学系を簡単な構造とすることができるという効果がある。尚、光導波路２０，３ｅは、省略して構成することも可能であり、浮遊回転板２又は収納筐体３のいずれか一方に設ける構成でも構わない。
【００９８】
尚、光偏向層６の構成は前述した第１及び第２の実施形態に限られず、種々の変更を施して実施することが可能である。以下、図８乃至図１３を参照して、光偏向層６の変形例について説明する。図８は、立体構造により形成した回折格子を有する浮遊回転板２の変形例を示す部分断面図である。図９は、回折効率を向上させるように凹凸の角度を設定した浮遊回転板２の変形例を示す部分断面図である。図１０は、３種類の波長に対応する回折格子を積層して構成した浮遊回転板２の変形例を示す部分断面図である。図１１は、３種類の波長に対応する回折格子を浮遊回転板２の略同一面上に構成した浮遊回転板２の変形例を示す部分断面図である。図１２は、回折方向の異なる複数個の回折格子を積層して構成した浮遊回転板２の変形例を示す斜視図である。図１３は、回折方向の異なる複数個の回折格子を浮遊回転板２の略同一面上に構成した浮遊回転板２の変形例を示す斜視図である。
【００９９】
図８に示す変形例では、回折部７２が、第１の実施の形態においては浮遊回転板２の上面に円形に設けられた光偏向層６の中心部近傍に、第２の実施の形態においては浮遊回転板２の上面の円周周辺部に環状に設けられた光偏向層６の内周近傍に、等間隔なストライプ状の格子溝、すなわち凹凸を形成した回折格子により形成されている。よって、この変形例においては、シリコン等の材質からなる浮遊回転板２上に容易に回折格子を形成することができるという効果がある。この場合、凹凸のピッチは、入射光の波長の整数倍になっており、±Ｘ方向に入射角を回折する。ただし、第２の実施の形態の光走査装置１においては、光偏向層６は浮遊回転板２の円周周辺部に設けられているので、図４で示すように、−Ｘ方向に回折された光束は、光走査装置１外方へは出射されない。さらに、浮遊回転板２を回転させれば、回折した光をＸＹ平面内で走査することができる。
【０１００】
また、図９に示す変形例では、回折部７３が、回折部７２と同様に波長の整数倍ピッチの等間隔なストライプ状の凹凸により形成された回折格子であるが、格子要素、すなわち各凹凸が、ＸＹ平面に対してθ＝４５度の角度で形成されている。格子要素が４５度に形成されていると、真上から垂直に入射した光は真横に反射されるため、単独の格子要素による回折分布は真横方向（ＸＹ平面方向）が強度最大となる。
【０１０１】
よって、この変形例においては、各格子要素による回折強度が最大になる方向と、複数の格子要素により形成された回折部の周期性に起因して生じる回折方向とが一致して、両方の相乗効果により回折効率を向上させることができるという効果である。さらに、浮遊回転板２を回転することで、明るい回折光をＸＹ平面内で走査することができる。
【０１０２】
図１０に示す変形例は、赤、緑、青のそれぞれ異なる波長を持った光束を回折する赤色光用回折部７４Ｒ、緑色光用回折部７４Ｇ、青色光用回折部７４ＢをＺ軸方向に積層して形成したものであり、３種類の波長の光束をそれぞれ回折することができる。よって、この変形例においては、中心軸線方向に積層されて浮遊回転板２に形成された各光束の波長に対応した回折部が、複数種類の波長の光束を回折することができるという効果がある。さらに、浮遊回転板２を回転することで、赤、緑、青の異なる波長の光束をＸＹ平面内で走査することができる。
【０１０３】
図１１に示す変形例は、赤、緑、青のそれぞれ異なる波長を持った光束を回折する赤色光用回折部７５Ｒ、緑色光用回折部７５Ｇ、青色光用回折部７５Ｂを略同一平面上（ＸＹ平面上）で浮遊回転板２に形成したものであり、図１０の変形例と同様に３種類の波長の光束を回折することができる。よって、この変形例においては、略同一面上で浮遊回転板２に形成された各光束の波長に対応した回折部が、複数種類の波長の光束を回折することができるという効果がある。さらに、浮遊回転板２を回転することで、赤、緑、青の異なる波長の光束をＸＹ方向のほぼ同一平面内で走査することができる。
【０１０４】
図１２に示す変形例は、±Ｘ方向に光を回折する回折部７６と±Ｙ方向に回折する回折部７７とをＺ軸方向に積層して形成したものであり、４方向に光束を偏向することができる。よって、この変形例においては、中心軸線方向に積層されて前記浮遊回転板２に形成された複数種類の波長の光束をそれぞれ回折するための各光束の波長に対応した回折手段が、複数種類の波長の光束を回折することができるという効果がある。さらに、浮遊回転板２を回転することで、ＸＹ平面内で一度に複数の方向に光を走査することができる。
【０１０５】
図１３に示す変形例は、±Ｘ方向に光を回折する回折部と±Ｙ方向に光を回折する回折部とをＸＹ平面上で重ね合わせて形成した回折格子部７８を備えたものであり、図１２の変形例と同様に４方向に光束を偏向することができる。よって、この変形例においては、略同一面上で前記浮遊回転板２に形成された複数の回折手段が、入射された光束を複数方向へ回折することができるという効果がある。
【０１０６】
次に、図１４乃至図１５を参照して、回折手段として多面鏡を用いた浮遊回転板２の変形例について説明する。図１４は、浮遊回転板２上に四角錐形状の反射鏡を形成した変形例を示す斜視図である。図１５は、浮遊回転板２を多面鏡により構成した変形例を示す斜視図である。
【０１０７】
図１４に示す変形例は、浮遊回転板２上に四角錐形状の反射鏡３１を形成したものであり、Ｚ軸方向から入射した光束は、ＸＹ平面方向に偏向され、浮遊回転板２の回転により走査される。よって、この変形例においては、反射鏡３１が光束を反射することにより、光束を所定方向に偏向することができるので、高い偏向効率を実現できるとともに、光源波長の変動に対しても安定して光束を偏向することができるという効果がある。
【０１０８】
図１５に示す変形例は、浮遊回転板２を多角柱形状（図１５では八角柱）とし、その側面に反射鏡３２を形成したものであり、通常のポリゴンスキャナと同様に、入射光を反射鏡３２によりＸＹ平面方向に反射させて走査することができる。よって、この変形例においては、八角柱の側面部分に形成された反射鏡３２が光束を反射するので、浮遊回転板２の１回転当たりの走査線を多くとることができるという効果がある。
【０１０９】
尚、浮遊回転板２は、図１４及び図１５に示した形状以外の多角柱や、多角錐、又は多角錐台の形状に形成しても構わないことは勿論である。
【０１１０】
次に、光走査装置１を備えた画像形成装置の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１６は、光走査装置１を用いた網膜走査型ディスプレイ１００の全体構成を示す全体構成図である。網膜走査型ディスプレイ１００では、水平走査系１１７に前記第１及び第２の実施の形態の光走査装置１が用いられている。外部からの映像信号及び水平走査系１１７の光センサ１１７ａからのＢＤ（Beam Detector）信号が光源ユニット部１０１に供給されると、映像信号供給回路１０５が映像信号、水平同期信号１０３及び垂直同期信号１０４を発生する。尚、ＢＤ信号検出用の光センサ１１７ａは、光走査装置１から出射される走査光の、走査範囲の末端部に設けられ、１走査毎に１回走査光を受光することで、光走査装置１の光走査周期を検出するためのセンサである。ＢＤ信号検出回路１０２ではこの光センサ１１７ａが走査光を感知する毎に変化する抵抗値を監視し、これに基づいてＢＤ信号を生成し、映像信号供給回路１０５に出力する。この出力されたＢＤ信号をもとに、画像形成装置では画像の開始端が決定される。
【０１１１】
Ｂレーザドライバ１０６，Ｇレーザドライバ１０７，Ｒレーザドライバ１０８は映像信号供給回路１０５より出力された映像信号に基づいて、Ｂレーザ光源１０９，Ｇレーザ光源１１０，Ｒレーザ光源１１１から青色レーザ光，緑色レーザ光，赤色レーザ光をそれぞれ出射する。これら３色のレーザ光は、コリメート光学系によりそれぞれコリメートされた後、ダイクロイックミラー１１３により合成され、結合光学系１１４により光ファイバ１１５に導かれる。
【０１１２】
光ファイバ１１５によって導かれたレーザ光は、第１リレー光学系１１６により水平走査系１１７の光走査装置１の偏向面に垂直方向から入射される。偏向面から水平に出射されたレーザ光は水平方向に走査されて、第２リレー光学系１１８によって垂直走査系１１９のガルバノミラー１１９ｃに入射される。レーザ光は、垂直走査系１１９により垂直方向に走査され、第３リレー光学系１２０によって観察者の瞳孔に入射される。第３リレー光学系１２０は、水平走査系１１７及び垂直走査系１１９により２次元走査された光束を観察者の瞳孔に入射させ、最終的に観察者の網膜上に投影するための複数のレンズを組み合わせて構成した光学系である。観察者は、このように２次元走査されて網膜上に投影されたレーザ光により画像を認識することができるのである。
【０１１３】
また、光走査装置１で検出され演算された光走査装置１の並進加速度および角速度は、光走査装置変位演算部１８より出力され、映像信号供給回路１０５に出力される。映像信号供給回路１０５では、算出された光走査装置１の並進加速度および角速度を利用して、出力する映像信号に対して様々な効果を反映させることができる。
【０１１４】
よって、網膜走査型ディスプレイ１００においては、主要構成要素である光走査装置１が、小型で、高速・高解像度であるので、網膜走査型ディスプレイ１００を小型化できるとともに、高解像度の画像を高速に形成することができるという効果がある。
【０１１５】
尚、本発明は上述した第１及び第２の実施の形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。
【０１１６】
例えば、前記第１及び第２の実施の形態の光走査装置１では、浮遊回転板２をガラスカプセル状の収納筐体３に収納する構成としたが、これらに限るものではない。要するに、光束を浮遊回転板２の光偏向層６に対して垂直に入射し、浮遊回転板２の面方向と平行な円周方向に偏向する構成であれば、光走査装置１を小型化することができるのである。
【０１１７】
また、前記第１及び第２の実施の形態の光走査装置１は、網膜走査型ディスプレイ１００以外の画像形成装置にも利用可能であることはいうまでもない。例えば、光走査装置１をレーザプリンタやコピー機等に組み込んで、感光体ドラム上にレーザ光を走査させるように構成してもよい。また、自動車等のナビゲーションシステムにおける画像形成装置として利用することで、ドライバーに速度、加速度、位置等の情報を提供し、且つ運転中でもほとんど視点をずらすことのない安全なナビゲーションシステムにおける画像形成装置として構成してもよい。
【０１１８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明の光走査装置では、入射した光束を所定方向へ偏向する光偏向手段を有する浮遊回転板を、内部に形成された空間部に収納するとともに浮遊状態で回転可能に支持する収納筐体において、浮遊回転駆動手段が、その収納筐体に収納された浮遊回転板を、静電力により浮遊させるとともに、浮遊回転板の中心軸線の周りに回転させ、位置検出手段が、収納筐体に対する浮遊回転板の並進位置及び回転位置を検出して信号を出力し、制御手段が、位置検出手段の出力信号に基づき、浮遊回転駆動手段を制御する帰還信号を出力することによって、浮遊回転板の並進位置及び回転位置を所望の状態に維持し、運動検出手段が、位置検出手段の出力信号及び制御手段の帰還信号の少なくとも一方に対して演算を施し、収納筐体の並進加速度及び角速度の少なくとも一方を算出して出力することができる。従って、収納筐体の内部に極めて小型の浮遊回転板を収納する構成とすることにより、光走査装置を小型化することができる。また、浮遊回転板を収納筐体内に収納し、空気の流れから隔離させることで、安定性を向上することができる。また、収納筐体内で浮遊回転板の安定的且つ光束に回転させることにより、高速に光走査することができる。また、浮遊回転板に対して収納筐体の並進加速度乃至角速度の何れかに基づいた制御を行うことができ、光走査を精密に制御することができる。
【０１１９】
また、請求項２に係る発明の光走査装置では、請求項１に係る発明の効果に加え、収納筐体の内部に形成された空間部が減圧されており、空気抵抗がほとんどない状態なので、浮遊回転板の回転力が失われにくい。従って、浮遊回転板の運動エネルギーの損失が少なく、高い安定性を保ちつつ、且つ高速に浮遊回転板を回転駆動することができる。
【０１２０】
また、請求項３に係る発明の光走査装置では、請求項１又は２に係る発明の効果に加え、収納筐体の光偏向手段に対向する面の少なくとも一部が透光性部材により構成されており、光偏向手段は、透光性部材を透過して浮遊回転板に対して略垂直に入射した光束を、浮遊回転板と略平行な平面上の所定の単一方向もしくは複数方向に偏向することができる。従って、光束が同一平面内で走査されるため、光学系が単純になるとともに、光走査装置をより小型に構成することができる。
【０１２１】
また、請求項４に係る発明の光走査装置では、請求項１乃至３の何れかに係る発明の効果に加え、光偏向手段は回折手段により構成されており、単純な構造で、入射した光束を偏向することができる。従って、光偏向手段を浮遊回転板の表面に２次元的に形成することができ、単純な構造で偏向効果を発揮させることができる。
【０１２２】
また、請求項５に係る発明の光走査装置では、請求項４に係る発明の効果に加え、回折手段は、浮遊回転板上に形成された等間隔のピッチを有するストライプ状の屈折率分布により構成された回折格子からなり、入射した光束を所定方向に偏向することができる。従って、シリコン等の材質からなる浮遊回転板上に容易に回折格子を形成することができる。
【０１２３】
また、請求項６に係る発明の光走査装置では、請求項４に係る発明の効果に加え、回折手段は、浮遊回転板上に形成された等間隔のピッチを有するストライプ状の立体構造により構成された回折格子からなり、入射した光束を所定方向に偏向することができる。従って、シリコン等の材質からなる浮遊回転板上に容易に回折格子を形成することができる。
【０１２４】
また、請求項７に係る発明の光走査装置では、請求項５又は６に係る発明の効果に加え、回折手段は、その回折手段を構成する個別の格子要素が有する入射した光束に対する回折強度分布の最大方向と、その回折手段が有する周期構造に基づく回折強度最大方向とが同じであるので、両方の相乗効果により回折効率を向上させることができる。
【０１２５】
また、請求項８に係る発明の光走査装置では、請求項４乃至７の何れかに係る発明の効果に加え、各光束の波長に対応した回折手段が略同一面上で浮遊回転板に形成されているので、光偏向手段は、各光束の波長に対応した各々の回折手段によって、複数種類の波長の光束をそれぞれ回折することができる。
【０１２６】
また、請求項９に係る発明の光走査装置では、請求項４乃至７の何れかに係る発明の効果に加え、各光束の波長に対応した回折手段が中心軸線方向に積層されて浮遊回転板に形成されているので、光偏向手段は複数種類の波長の光束をそれぞれ回折することができる。
【０１２７】
また、請求項１０に係る発明の光走査装置では、請求項４乃至９の何れかに係る発明の効果に加え、各回折方向に対応した複数の回折手段が略同一面上で浮遊回転板に形成されているので、光偏向手段は入射された光束を複数方向へ回折することができる。
【０１２８】
また、請求項１１に係る発明の光走査装置では、請求項４乃至９の何れかに係る発明の効果に加え、各回折方向に対応した複数の回折手段が中心軸線方向に積層されて浮遊回転板に形成されているので、光偏向手段は入射された光束を複数方向へ回折することができる。
【０１２９】
また、請求項１２に係る発明の光走査装置では、請求項１乃至３の何れかに係る発明の効果に加え、光偏向手段は、光束を反射可能な多面鏡により構成されており、入射した光束を所定方向に偏向することができる。従って、高い偏向効率を実現できるとともに、光源波長の変動に対しても安定して光束を偏向することができる。
【０１３０】
また、請求項１３に係る発明の光走査装置では、請求項１２に係る発明の効果に加え、多面鏡は、多角柱、もしくは多角錐、又は多角錐台のうち何れかの側面部分に形成されており、入射した光束を所定方向に偏向することができる。従って、浮遊回転板一回転当たりの走査線数を多くとることができる。
【０１３１】
また、請求項１４に係る発明の光走査装置では、請求項１乃至１３の何れかに係る発明の効果に加え、浮遊回転板及び収納筐体の何れか一方、もしくは両方に、形成された導波路構造により、光偏向手段を介して光束を伝搬することができる。従って、結合光学系を簡単な構造とすることができる。
【０１３２】
また、請求項１５に係る発明の光走査装置では、請求項１乃至１４の何れかに係る発明の効果に加え、浮遊回転板は導電性の材料より構成され、収納筐体は絶縁性の材料より構成され、浮遊回転板の両面と、収納筐体内面上壁及び内面底壁とに各々対向する電極が形成されているので、両電極間における静電力により、浮遊回転板を浮遊させるとともに回転駆動させることができる。従って、光走査装置１の小型化を図ることができる。
【０１３３】
また、請求項１６に係る発明の光走査装置を備えた画像形成装置では、請求項１乃至１５の何れかに記載の光走査装置を少なくとも一つ備え、変調手段が少なくとも１つの光源から出射される光束を画像信号に応じて変調し、走査手段が変調された光束を二次元的に走査させ、光学系により走査された光束を観察者の瞳孔に入射することができる。従って、主要構成要素である光走査装置が、小型で、高速・高解像度であるので、画像形成装置を小型化できるとともに、高解像度の画像を高速に形成することができる。また、光走査装置より出力されるの並進加速度及び角速度を利用して、画像形成装置に対して観察者の動作に合わせたフィードバックを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、第１の実施の形態における光走査装置１の構造を模式的に表した斜視図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態における光走査装置１の断面構造を模式的に表した断面図である。
【図３】図３は、第２の実施の形態における光走査装置１の構造を模式的に表した斜視図である。
【図４】図４は、第２の実施の形態における光走査装置１の断面構造を模式的に表した断面図である。
【図５】図５は、屈折率分布により形成した回折格子を有する浮遊回転板２の部分断面図である。
【図６】図６（Ａ）は、第１の実施の形態における光走査装置１のＸＺ平面における断面図であり、図６（Ｂ）は、第１の実施の形態における光走査装置１のＸＹ平面における平面図である。
【図７】図７（Ａ）は、第２の実施の形態における光走査装置１のＸＺ平面における断面図であり、図７（Ｂ）は、第２の実施の形態における光走査装置１のＸＹ平面における平面図である。
【図８】図８は、立体構造により形成した回折格子を有する浮遊回転板２の変形例を示す部分断面図である。
【図９】図９は、回折効率を向上させるように凹凸の角度を設定した浮遊回転板２の変形例を示す部分断面図である。
【図１０】図１０は、３種類の波長に対応する回折格子を積層して構成した浮遊回転板２の変形例を示す部分断面図である。
【図１１】図１１は、３種類の波長に対応する回折格子を浮遊回転板２の略同一面上に構成した浮遊回転板２の変形例を示す部分断面図である。
【図１２】図１２は、回折方向の異なる複数個の回折格子を積層して構成した浮遊回転板２の変形例を示す斜視図である。
【図１３】図１３は、回折方向の異なる複数個の回折格子を浮遊回転板２の略同一面上に構成した浮遊回転板２の変形例を示す斜視図である。
【図１４】図１４は、浮遊回転板２上に四角錐形状の反射鏡を形成した変形例を示す斜視図である。
【図１５】図１５は、浮遊回転板２を多面鏡により構成した変形例を示す斜視図である。
【図１６】図１６は、光走査装置１を用いた網膜走査型ディスプレイ１００の全体構成を示す図である。
【図１７】図１７（Ａ）は、電極２０１〜２０４，３０１〜３０４と、電極９ｃとを模式的なコンデンサとして考えた、制御部１１の動作を説明するための模式図であり、図１７（Ｂ）は、直線加速度ｆｘ，ｆｙ，ｆｚ及び回転モーメントｆθ，ｆφを無次元化する方法を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１光走査装置
２浮遊回転板
３収納筐体
３ａ空間部
３ｂ上面ガラス板
３ｃ底面ガラス板
３ｄ壁面ガラス板
３ｅ光導波路
４電極群
６光偏向層
９電極群
１１制御部
１２変位演算部
１３ＰＩＤ演算部
１６駆動部
１７加速度出力演算部
１８光走査装置変位演算部
２０光導波路
３１反射鏡
３２反射鏡
７１回折部
７１ａ格子領域
１００網膜走査型ディスプレイ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical scanning device that scans a light beam and an image forming apparatus including the optical scanning device.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a so-called retinal scanning display has been known that performs drawing directly on the retina by scanning a weak light beam of red, green, and blue with a two-dimensional light scanning device and throwing it into an observer's pupil. Yes. For example, this apparatus is proposed in Japanese Patent No. 2874208 by the applicant of the present application. As an optical scanning device that scans a light beam emitted based on a video signal, which is a main component of such a retinal scanning display, a floating polygon type, a galvano mirror type, or the like has been studied. In many scenes using a head-mounted display typified by a retinal scanning display, it is required to change the display image according to the position or line-of-sight direction of the observer. It is necessary to mount the sensor on the display device. As an example of such a sensor, there is an electrostatic floating gyro device proposed in Japanese Patent No. 3008074 by the applicant of the present application.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, electrostatic floating gyroscopes and optical scanning devices are precision instruments, and when both devices are mounted to realize a retinal scanning display, not only the size and weight of the display increase, but also the expensive one. There has been a problem of solving this problem, and the solution to this problem has been an issue.
[0004]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and by providing a light deflecting means on a floating rotating plate of an electrostatic floating gyro apparatus, and by fusing the optical scanning apparatus and the gyro apparatus, An object of the present invention is to provide a compact, lightweight, low-cost (with acceleration sensor function) optical scanning device and an image forming apparatus including the optical scanning device.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an optical scanning device according to a first aspect of the present invention includes a floating rotating plate having light deflecting means for deflecting an incident light beam in a predetermined direction and a space portion formed therein, and the floating rotation A housing housing that accommodates the plate in the space and rotatably supports the floating housing, and the floating rotating plate housed in the housing housing is floated by an electrostatic force, and the central axis of the floating rotating plate Based on the output signal of the position detection means, the position detection means for detecting the translation position and the rotation position of the floating rotation plate relative to the housing case, and outputting the signal. By outputting a feedback signal for controlling the floating rotation driving means, the control means for maintaining the translation position and the rotation position of the floating rotation plate in a desired state, the output signal of the position detection means and the front Performing an operation to at least one of the feedback signal of the control means, and a movement detecting means for calculating and outputting at least one of translational acceleration and angular velocity of the storage case.
[0006]
In the optical scanning device of this configuration, the floating rotating plate having the light deflecting means for deflecting the incident light beam in a predetermined direction is housed in a space formed inside and is accommodated in a housing case that is rotatably supported in a floating state. The floating rotation driving means floats the floating rotating plate accommodated in the housing case by electrostatic force, and rotates the floating rotating plate around the central axis of the floating rotating plate, and the position detecting means floats the floating rotating plate with respect to the housing case. The translation position and the rotational position of the plate are detected and output, and the control means outputs a feedback signal for controlling the floating rotation drive means based on the output signal of the position detection means, whereby the translation position of the floating rotary plate And the rotational position is maintained in a desired state, and the motion detection means performs an operation on at least one of the output signal of the position detection means and the feedback signal of the control means, and the translational acceleration and It can be output to calculate at least one of the angular velocity.
[0007]
According to a second aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect of the invention, the storage housing is characterized in that a space portion formed in the housing is decompressed. It has a configuration.
[0008]
In the optical scanning device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to claim 1, the space formed inside the housing is decompressed, and there is almost no air resistance. Is hard to lose.
[0009]
According to a third aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first or second aspect of the present invention, at least a part of the surface of the storage housing that faces the light deflecting unit is a translucent member. The light deflecting means transmits a light beam transmitted through the translucent member and incident substantially perpendicularly to the floating rotating plate in a predetermined single direction on a plane substantially parallel to the floating rotating plate. Alternatively, it is configured to be deflected in a plurality of directions.
[0010]
In the optical scanning device of this configuration, in addition to the operation of the invention according to claim 1 or 2, at least a part of the surface of the housing housing facing the optical deflection unit is configured by a translucent member. Can deflect a light beam that has passed through the translucent member and entered substantially perpendicularly to the floating rotating plate in a predetermined single direction or a plurality of directions on a plane substantially parallel to the floating rotating plate.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the invention according to any one of the first to third aspects, the optical deflecting unit is configured by a diffracting unit. It has become.
[0012]
In the optical scanning device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to any one of claims 1 to 3, the light deflecting means is constituted by a diffracting means and can deflect the incident light beam with a simple structure. .
[0013]
According to a fifth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the fourth aspect of the invention, the diffractive means is a stripe-shaped refractor having an equally spaced pitch formed on the floating rotating plate. The structure is characterized by comprising a diffraction grating composed of a rate distribution.
[0014]
In the optical scanning device of this configuration, in addition to the operation of the invention according to claim 4, the diffractive means includes a diffraction grating formed of a stripe-shaped refractive index distribution having a pitch of equal intervals formed on the floating rotating plate. Thus, the incident light beam can be deflected in a predetermined direction.
[0015]
According to a sixth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the fourth aspect of the invention, the diffractive means is a three-dimensional stripe having a pitch of equal intervals formed on the floating rotating plate. The structure is characterized by comprising a diffraction grating having a structure.
[0016]
In the optical scanning device of this configuration, in addition to the operation of the invention according to claim 4, the diffractive means includes a diffraction grating formed of a stripe-shaped three-dimensional structure formed on a floating rotating plate and having an equally spaced pitch. The incident light beam can be deflected in a predetermined direction.
[0017]
According to a seventh aspect of the invention, in addition to the configuration of the invention of the fifth or sixth aspect, the diffractive means is configured to diffract an incident light beam included in an individual grating element constituting the diffractive means. The maximum direction of the intensity distribution is the same as the maximum direction of diffraction intensity based on the periodic structure of the diffraction means.
[0018]
In the optical scanning device of this configuration, in addition to the operation of the invention according to claim 5 or 6, the diffraction means includes the maximum direction of the diffraction intensity distribution with respect to the incident light flux of the individual grating elements constituting the diffraction means, and the Since the diffraction intensity maximum direction based on the periodic structure of the diffraction means is the same, the diffraction efficiency can be improved.
[0019]
According to an eighth aspect of the invention, in addition to the configuration of the invention according to any one of the fourth to seventh aspects, the optical deflecting unit is configured to diffract light beams having a plurality of types of wavelengths. The diffractive means corresponding to the wavelength of the light beam is formed on the floating rotating plate on substantially the same plane.
[0020]
In the optical scanning device of this configuration, in addition to the operation of the invention according to any one of claims 4 to 7, the diffraction means corresponding to the wavelength of each light beam is formed on the floating rotating plate on substantially the same plane. The deflecting unit can diffract light beams of a plurality of types of wavelengths.
[0021]
In addition to the configuration of the invention according to any one of claims 4 to 7, the optical deflecting unit according to a ninth aspect of the present invention is configured to diffract light beams having a plurality of types of wavelengths. The diffractive means corresponding to the wavelength of the light beam is formed in the floating rotating plate so as to be laminated in the central axis direction.
[0022]
In the optical scanning device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to any one of claims 4 to 7, the diffraction means corresponding to the wavelength of each light beam is laminated in the central axis direction and formed on the floating rotating plate. The light deflecting means can diffract light beams having a plurality of types of wavelengths.
[0023]
In addition to the configuration of the invention according to any one of claims 4 to 9, the optical deflection unit according to a tenth aspect of the invention is configured to diffract an incident light beam in a plurality of directions. A plurality of diffractive means corresponding to the respective diffraction directions are formed on the floating rotating plate on substantially the same plane.
[0024]
In the optical scanning device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to any one of claims 4 to 9, a plurality of diffraction means corresponding to each diffraction direction are formed on the floating rotating plate on substantially the same plane. The light deflecting means can diffract the incident light beam in a plurality of directions.
[0025]
In addition to the configuration of the invention according to any one of claims 4 to 9, the optical deflection unit according to an eleventh aspect of the invention is configured to diffract the incident light beam in a plurality of directions. A plurality of diffractive means corresponding to each diffraction direction are stacked in the central axis direction and formed on the floating rotating plate.
[0026]
In the optical scanning device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to any one of claims 4 to 9, a plurality of diffraction means corresponding to each diffraction direction are stacked in the central axis direction and formed on the floating rotating plate. Therefore, the light deflecting means can diffract the incident light beam in a plurality of directions.
[0027]
According to a twelfth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the invention according to any one of the first to third aspects, the optical deflecting means includes a polygon mirror that can reflect a light beam. It has a characteristic configuration.
[0028]
In the optical scanning device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to any one of claims 1 to 3, the light deflecting means includes a polygon mirror that can reflect the light beam, and deflects the incident light beam in a predetermined direction. can do.
[0029]
An optical scanning device according to a thirteenth aspect of the present invention is the optical scanning device according to the twelfth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the invention according to the twelfth aspect, wherein the polygon mirror is disposed on any side surface portion of a polygonal column, a polygonal cone, or a polygonal frustum. It is the structure characterized by being formed.
[0030]
In the optical scanning device with this configuration, in addition to the operation of the invention according to claim 12, the polygon mirror is formed on any side surface portion of the polygonal column, the polygonal pyramid, or the polygonal frustum, and the incident light beam Can be deflected in a predetermined direction.
[0031]
In addition to the configuration of the invention according to any one of claims 1 to 13, the optical scanning device of the invention according to claim 14 includes a light flux on one or both of the floating rotating plate and the housing case. A waveguide structure for propagating the light through the light deflecting means is formed.
[0032]
In the optical scanning device of this configuration, in addition to the operation of the invention according to any one of claims 1 to 13, the optical deflection is performed by the waveguide structure formed on one or both of the floating rotating plate and the housing case. The light beam can be propagated through the means.
[0033]
According to a fifteenth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the invention according to any one of the first to fourteenth aspects, the floating rotating plate is made of a conductive material, and the housing case is insulated. The electrodes are formed on the both surfaces of the floating rotating plate and on the inner wall upper wall and inner wall bottom wall of the floating rotating plate.
[0034]
In the optical scanning device having this configuration, in addition to the operation of the invention according to any one of claims 1 to 14, the floating rotating plate is made of a conductive material, the housing case is made of an insulating material, and the floating rotation is made. Since the opposing electrodes are formed on both surfaces of the plate and the inner and inner walls of the storage housing, the floating rotating plate can be floated and driven to rotate by electrostatic force between the two electrodes.
[0035]
According to a sixteenth aspect of the present invention, an image forming apparatus including the optical scanning device according to the sixteenth aspect includes at least one light source, a modulation unit that modulates a light beam emitted from the light source according to an image signal, and the modulated light beam. 16. An optical scanning apparatus according to claim 1, further comprising: a scanning unit that two-dimensionally scans the light beam; and an optical system that causes the scanned light beam to enter the pupil of the observer. It is the structure characterized by having at least one.
[0036]
An image forming apparatus including the optical scanning device having this configuration includes at least one optical scanning device according to any one of claims 1 to 15, and the modulation unit uses a light beam emitted from at least one light source as an image signal. Accordingly, the light beam modulated by the scanning unit can be scanned two-dimensionally, and the light beam scanned by the optical system can be incident on the pupil of the observer.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of an optical scanning device and an image forming apparatus including the optical scanning device according to the invention will be described with reference to the drawings. First, the overall configuration of the optical scanning device 1 will be described with reference to FIGS. 1 to 7. FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of the optical scanning device 1 in the first embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the cross-sectional structure thereof. FIG. 3 is a perspective view schematically showing the structure of the optical scanning device 1 in the second embodiment, and FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing the cross-sectional structure thereof. FIG. 5 is a partial cross-sectional view of the floating rotating plate 2 having a diffraction grating formed by a refractive index distribution. 6A is a cross-sectional view in the XZ plane of the optical scanning device 1 in the first embodiment, and FIG. 6B is an XY plane of the optical scanning device 1 in the first embodiment. FIG. FIG. 7A is a cross-sectional view in the XZ plane of the optical scanning device 1 in the second embodiment, and FIG. 7B is a plane in the XY plane of the optical scanning device 1 in the second embodiment. FIG. In the following description, as shown in FIG. 1, the Z axis is set in the vertical direction along the center axis of the floating rotating plate 2 described later, and the X axis, the X axis, and the Z axis in the radial direction of the floating rotating plate 2. The Y axis that is orthogonal to the axis is taken.
[0038]
As shown in FIG. 1 to FIG. 4, the optical scanning device 1 includes a floating rotating plate 2 and a storage casing 3 in which a space 3 a is formed and the floating rotating plate 2 is stored in the space 3 a. It is configured. The floating rotating plate 2 is a disk-shaped member made of a conductive material such as silicon, and includes a substrate layer 5, an optical deflection layer 6 formed on the substrate layer 5, and the substrate layer 5 and the optical deflection layer 6. And an electrode group 9 formed in a protruding shape so as to sandwich from above and below. The electrode group 9 is shown in FIG. 1 and FIG. 2 in the vicinity of the disc-shaped peripheral portion in the first embodiment, and in the second embodiment shown in FIG. 3 and FIG. Each is provided in the vicinity. The floating rotating plate 2 is formed to be extremely small with a thickness of about 0.1 mm and a diameter of about 5 mm.
[0039]
In the optical deflection layer 6, a transparent optical waveguide 20 for guiding the light beam is formed, and in the first embodiment, a diffraction portion 71 for deflecting the light beam is formed in a circular region including the center of rotation. ing. In the second embodiment, a diffractive portion 71 for deflecting the light beam is formed in a region near the disc-shaped peripheral portion. The diffractive portion 71 constitutes the light deflecting means and the diffracting means of the present invention. The diffractive portion 71 is a region having a stripe-shaped refractive index distribution as shown in the enlarged sectional view of the light deflection layer 6 of the floating rotating plate 2 shown in FIG. That is, the diffractive portion 71 is a diffraction grating in which a plurality of grating regions 71 a having a refractive index different from that of the optical waveguide 20 are formed in stripes at equal intervals. The grating interval d, that is, the pitch of each grating region 71a is set to an integral multiple of the wavelength of the incident light beam. Note that the optical waveguide 20 and the grating region 71a only need to have different refractive indexes, and the refractive index does not matter.
[0040]
The storage housing 3 is a capsule-like member made of an insulating glass material, formed in a cylindrical shape as a whole, and having a space inside. It is desirable that the glass material further has pressure resistance and heat resistance. The storage housing 3 is formed of a wall surface glass plate 3d forming a cylindrical outer peripheral portion, a top glass plate 3b forming a cylindrical top surface portion, and a bottom glass plate 3c forming a cylindrical bottom surface portion, and is surrounded by these members. A space portion 3a is formed. That is, the top glass plate 3b and the bottom glass plate 3c face each other in the Z-axis direction of the floating rotating plate 2 accommodated in the space portion 3a with the space portion 3a interposed therebetween.
[0041]
And the electrode group 4 formed in the shape of a protrusion is each provided in the inner wall surface of the storage housing | casing 3 at the Z-axis direction, ie, the lower surface of the upper surface glass plate 3b, and the upper surface of the bottom glass plate 3c. The electrode group 4 forms a pair with the electrode group 9 provided on each surface of the floating rotating plate 2 facing the lower surface of the upper glass plate 3b and the upper surface of the bottom glass plate 3c, respectively. A drive means and a position detection means are comprised.
[0042]
On the wall surface glass plate 3d, an optical waveguide 3e is formed in an annular shape at substantially the same height as the optical waveguide 20 provided on the floating rotating plate 2 in the Z-axis direction. Therefore, the light beam propagating in the optical waveguide 20 in any direction on the XY plane further propagates in the optical waveguide 3e, and then is emitted from the optical waveguide 3e to the outside of the apparatus. The optical waveguide 20 and the optical waveguide 3e constitute the waveguide structure of the present invention.
[0043]
The space 3a inside the housing 3 is sealed under reduced pressure in order to reduce the air resistance when the floating rotating plate 2 is rotated, and the pressure is reduced until a substantially vacuum state is achieved. Further, an exhaust chamber (not shown) is provided inside the wall surface glass plate 3d of the storage housing 3, and the exhaust chamber and the space portion 3a are connected to each other through pores that are minimally provided on the wall surface on the space portion 3a side. It is communicated. In this exhaust chamber, a getter material (not shown) capable of adsorbing and exhausting gas is installed, and the space portion 3a is maintained in a substantially vacuum state by the activation effect of this getter material.
[0044]
Since the floating rotating plate 2 is maintained in a floating state by a floating rotation driving means described later, the space portion 3a is maintained in a non-contact state with the inner wall surface of the storage housing 3 in a substantially vacuum state. Therefore, since the action of the external force on the floating rotating plate 2 does not reach, any axial action of the floating rotating plate 2 and the housing case can be applied even if any external force acts on the housing case 3. The relative orientation relationship with each axial direction of 3 is maintained by the law of inertia.
[0045]
Next, the structure of the electrode groups 4 and 9 of the housing 3 and the floating rotating plate 2 will be described with reference to FIGS. 6A and FIG. 7A, the cross section along the XY plane of the optical scanning device 1 viewed in the + Z direction between the two-dot chain line AA ′ in the cross-sectional view of the optical scanning device 1 along the XZ plane shown in FIGS. Are shown on the left side of FIG. 6 (B) and FIG. 7 (B), respectively. In addition, the cut surfaces on the XY plane of the optical scanning device 1 viewed in the −Z direction between the two-dot chain line AA ′ are shown on the right side of FIGS. 6B and 7B, respectively. Electrodes 9a, 9b, and 9c shown on the right side of FIGS. 6B and 7B are formed in a protruding shape on the upper and lower surfaces of the floating rotating plate 2, respectively. 6B and 7B, electrodes 4a, 4b, 201-204 are formed on the upper wall surface of the inner surface of the housing 3 on the bottom wall surface of the inner surface of the housing 3, as shown on the left side of FIG. The electrodes 4a, 4b, 301 to 304 (not shown) are formed in a protruding shape so as to make a pair with the electrodes 9a, 9b, 9c, respectively. The electrodes 201 to 204 and the electrodes 301 to 304 are electrodes provided on the floating rotating plate 2, the former being the upper surface and the latter being the lower surface, respectively.
[0046]
A plurality of electrodes 9c for electrostatic support of the floating rotating plate 2 are formed on the periphery of the upper surface of the floating rotating plate 2 so as to form a concentric ring. A plurality of electrostatically supporting electrodes 203a and 203b, which are paired with the electrode 9c, are formed on the wall surface alternately in a concentric fan shape to form a comb shape. Furthermore, the electrodes 203a and 203b form the electrode 203 as a fan-shaped electrode group, and are arranged on the same circumference as four sets, that is, the electrodes 201 to 204 with the same configuration. Further, four sets of electrodes 301 to 304 are arranged on the same circumference at positions facing the electrodes 201 to 204 with the same configuration on the bottom wall surface of the inner surface of the housing 3. In the optical scanning device 1 of the first and second embodiments, the electrodes 201 to 204, 301 to 304, and 9c are a total of three pairs in the circumferential direction, which are ring-shaped or fan-shaped electrode pairs that form a comb shape. A large number are formed, for example, 20 pairs each.
[0047]
A plurality of driving electrodes 9b for the floating rotating plate 2 are formed on a concentric circumference inside the electrode 9c, and are arranged in a ring shape as fan-shaped electrodes. Further, similarly, a plurality of driving electrodes 4b are arranged in rows on the upper and lower wall surfaces of the inner surface of the housing 3 on the concentric circumference inside the electrodes 201 to 204 and 301 to 304 so as to make a pair with the electrode 9b. Has been. In the optical scanning device 1 of the first and second embodiments, four and twelve electrodes 9b and 4b are formed, respectively.
[0048]
Further, the displacement detection electrode 9a of the floating rotating plate 2 is formed in an annular shape on the inner circumference of the electrode 9b on the upper and lower surfaces of the floating rotating plate 2, and is similarly formed on the upper and lower wall surfaces of the inner surface of the housing 3. The electrode 4a for displacement detection is similarly formed in an annular shape on the inner circumference of the electrode 4b so as to make a pair with the electrode 9a.
[0049]
Next, the electrical configuration of the optical scanning device 1 will be described with reference to FIGS. The optical scanning device 1 includes a control unit 11 for driving and controlling the floating rotating plate 2. The control unit 11 includes a displacement calculation unit 12, a PID calculation unit 13, a control voltage calculation unit 14, a control voltage generator 15, and a drive unit 16. In the displacement calculation unit 12, a current is generated in the electrode 4 a by applying a displacement detection AC voltage between the electrodes 201 to 204 and the electrodes 301 to 304, and based on this, the X, Y, Calculations are performed for linear displacement in the Z direction and rotational displacement about the X and Y axes. In the PID calculation unit 13, in order to correct the displacement due to inertia applied to the floating rotating plate 2 to zero, linear acceleration and rotational moment, which are the basis for calculating the DC voltage applied to the electrodes 201 to 204, 301 to 304, are calculated. A PID control process to be calculated is performed. The control voltage calculation unit 14 controls the displacement of the floating rotating plate 2 based on the calculation for shifting the phase of the drive voltage for rotating the floating rotating plate 2 and the processing of the PID calculating unit 13. The control voltage generator 15 calculates the amount of change in the control DC voltage, and the control voltage generator 15 generates a driving voltage for applying a rotational driving force to the floating rotating plate 2 and the processing in the control voltage calculating unit 14. A DC voltage for controlling the displacement and a control AC voltage for detecting the position of the floating rotating plate 2 with respect to the housing 3 are generated. In the drive unit 16, the control DC voltage and the control AC voltage generated by the control voltage generator 15 are added and applied to the electrodes 201 to 204, 301 to 304, and the drive voltage is applied to the electrode 4b. A floating force, a rotational force, and a translational force are applied to the floating rotating plate 2.
[0050]
The processing result in the PID calculation unit 13 is also output to the acceleration output calculation unit 17. In the acceleration output calculation unit 17, acceleration and angular velocity due to external force applied to the optical scanning device 1 are calculated based on the linear acceleration and rotational moment calculated by the PID calculation unit 13. Based on the calculation result, the optical scanning device displacement calculation unit 18 calculates the relative linear displacement and rotational displacement of the optical scanning device 1, and outputs the calculated linear displacement and rotation displacement to an external device (not shown).
[0051]
Next, the principle of floating and rotating the floating rotating plate 2 and the principle of displacement measurement will be described. In addition, the floating rotating plate 2 is supported and driven in a floating state by an electrostatic force in the housing 3, and a displacement due to the influence of inertia is detected, the displacement is corrected based on the detected value, and the displacement is detected. The means for calculating the translational acceleration and the angular velocity of the storage housing 3 based on the values is described in detail in Japanese Patent No. 3008074 by the applicant of the present application, so here, refer to FIG. 6 and FIG. The outline will be described.
[0052]
As shown in FIGS. 6 and 7, when the control means applies a control DC voltage to the electrodes 201 to 204, 301 to 304, the static electricity is applied between the electrodes 201 to 204, 301 to 304 and the electrode 9c. Electric power is generated, and the floating rotating plate 2 is supported in a floating manner. That is, in the comb-shaped electrodes 203a and 203b that alternately constitute the electrode 203, when a control DC voltage having the same magnitude and opposite polarity is applied to the electrodes 203a and 203b, the electrodes 203a and 203b, The charges between each of them and the electrode 9c on the floating rotating plate 2 facing each other become equal. Therefore, the potential at the portion of the floating rotating plate 2 facing the electrode 203 is always zero. Further, similarly, by applying bipolar voltages to the electrodes 201, 202, 204, and 301 to 304, the control means can always make the potential of the floating rotating plate 2 zero. Further, by controlling the voltage applied to the + Z side of the electrodes 201 to 204, that is, the floating rotating plate 2, and the voltage applied to the electrodes 301 to 304, that is, the −Z side, respectively, the floating rotating plate 2 is moved in the Z-axis direction. The control means can restrain the floating rotary plate 2 in the Z-axis direction. In addition, since the fan-shaped electrode group composed of the electrodes 201 to 204 and 301 to 304 is provided in a pair of upper and lower sides in both the positive and negative directions of the X and Y axes, the control means applies control to the electrode groups in each direction. By controlling the DC voltage, the electrostatic force applied to the floating rotating plate 2 on the XY axis plane can be adjusted, and the floating rotating plate 2 can be restrained on the XY plane.
[0053]
Further, the control AC voltage is added to the control DC voltage and applied to the electrodes 201 to 204 and 301 to 304, whereby a current flows through the electrode 4a. Further, this current is converted into a voltage by a preamplifier (not shown) and output, and the displacement calculation unit 12 performs a calculation based on this voltage, whereby the three axes of the floating rotating plate 2, that is, the X, Y and Z axis directions Linear displacement and rotational displacement with respect to two axes, that is, the X and Y axes. This process is performed by the position detecting means in the present invention.
[0054]
Further, in the floating rotation driving means, a set of four electrodes 4 provided apart from each other among the 12 electrodes 4b provided so as to form a ring on the upper and lower wall surfaces of the storage housing 3, A three-phase drive voltage having a phase shift is applied to each adjacent electrode. The drive voltage is generated as a drive voltage whose phase is shifted to three phases by the control voltage generator 15 based on the processing in the control voltage calculation unit 14. Between the electrode 4b and the pair of electrodes 9b, an electrode to which a voltage for generating an electrostatic force is applied is sequentially switched to an adjacent electrode every time, so that the floating rotating plate 2 is centered on the Z axis. The rotational drive can be performed by obtaining a rotational force in the circumferential direction.
[0055]
Note that specific numerical calculations related to the control of the optical scanning device 1 in the control unit 11, the acceleration output calculation unit 17, and the optical scanning device displacement calculation unit 18 are described in detail in Japanese Patent No. 3008074 by the applicant of the present application. Therefore, the outline thereof will be described here with reference to FIGS.
[0056]
First, a calculation method for detecting the relative displacement of the floating rotating plate 2 in the housing 3 will be described below.
[0057]
First, the displacement of the floating rotating plate 2 in the XZ plane direction will be described. As shown in FIGS. 6 and 7, a detection AC voltage AC applied to be superimposed on the control DC voltage applied to the electrodes 201, 301 and 203, 303.₂₀₁, AC₃₀₁, AC₂₀₃, AC₃₀₃Is given by
AC₂₀₁= -EX-Eθ-EZ (1)
AC₃₀₁= −EX + Eθ + EZ (2)
AC₂₀₃= + EX + Eθ−EZ (3)
AC₃₀₃= + EX−Eθ + EZ (4)
[0058]
Furthermore, AC voltage AC for detection₂₀₁, AC₃₀₁, AC₂₀₃, AC₃₀₃Each term on the right side of is expanded as follows.
+ EX = E₀cos (ω_Xt + ζ_X)
-EX = E₀cos (ω_Xt + η_X)
+ Eθ = E₀cos (ω_θt + ζ_θ)
-Eθ = E₀cos (ω_θt + η_θ)
+ EZ = E₀cos (ω_Zt + ζ_Z)
-EZ = E₀cos (ω_Zt + η_Z)
[0059]
Here, ± EX is a voltage component for detecting the linear displacement ΔX of the floating rotating plate 2 in the X-axis direction, ± Eθ is a voltage component for detecting the rotational displacement Δθ around the Y axis of the floating rotating plate 2, ± EZ is a voltage component for detecting the linear displacement ΔZ of the floating rotating plate 2 in the Z-axis direction, ω_X, Ω_Y, Ω_θIs a frequency for displacement detection.
[0060]
Further, the signs of ± EX, ± Eθ, and ± EZ represent a phase difference of 180 degrees. Therefore, the phase differences ζ and η have the following relationship.
η_Z= Ζ_X± 180 °
η_Z= Ζ_Z± 180 °
η_θ= Ζ_θ± 180 °
[0061]
Moreover, the following formula | equation can be derived by performing the same consideration also in the YZ plane direction.
AC₂₀₂= -EY-Eφ-EZ
AC₃₀₂= -EY + Eφ + EZ
AC₂₀₄= + EY + Eφ-EZ
AC₃₀₄= + EY-Eφ + EZ
+ EY = E₀cos (ω_Yt + ζ_Y)
-EY = E₀cos (ω_Yt + η_Y)
+ Eφ = E₀cos (ω_φt + ζ_φ)
-Eφ = E₀cos (ω_φt + η_φ)
+ EZ = E₀cos (ω_Zt + ζ_Z)
-EZ = E₀cos (ω_Zt + η_Z)
However,
η_Y= Ζ_Y± 180 °
η_Z= Ζ_Z± 180 °
η_φ= Ζ_φ± 180 °
[0062]
Further, in the XZ plane direction of the floating rotating plate 2, for example, the floating rotating plate 2 is linearly displaced by ΔX in the X axis direction, rotationally displaced by the rotation angle Δθ around the Y axis, and linearly displaced by ΔZ in the Z axis direction. The capacitance C between the electrodes 201, 301, 203, and 303 and the electrode 9c in FIG.₂₀₁, C₃₀₁, C₂₀₃, C₃₀₃The relationship is expressed as follows.
C₂₀₁= C₀(1 + ΔX + ΔZ + Δθ) (5)
C₃₀₁= C₀(1 + ΔX−ΔZ−Δθ) (6)
C₂₀₃= C₀(1−ΔX + ΔZ−Δθ) (7)
C₃₀₃= C₀(1-ΔX−ΔZ + Δθ) (8)
[0063]
Where C₀Is the capacitance between the electrodes when all displacements are zero. Conversely, from this equation, each displacement ΔX, ΔZ, Δθ can be expressed by a capacitance between the electrodes.
ΔX = (1 / 4C₀) (C₂₀₁+ C₃₀₁-C₂₀₃-C₃₀₃)
Δθ = (1 / 4C₀) (C₂₀₁-C₃₀₁-C₂₀₃+ C₃₀₃)
ΔZ = (1 / 4C₀) (C₂₀₁-C₃₀₁+ C₂₀₃-C₃₀₃)
[0064]
The electrodes 203a and 203b have control DC voltages ± V having the same magnitude and opposite polarities.₂₀₃Is applied to each of the electrodes 201, 301, and 303 in the same manner.₂₀₁, ± V₃₀₁, ± V₃₀₃Is applied. As a result, the potential at the midpoint between both electrodes on the floating rotating plate 2 becomes zero. In the examples of the first and second embodiments of the present invention, control direct-current voltages having the same magnitude and different polarities are applied to the respective electrostatic support electrodes 201 to 204 and 301 to 304 serving as a pair. Therefore, the potential of the floating rotating plate 2 becomes zero.
[0065]
The detection AC voltage AC is superimposed on the control DC voltage applied to the electrodes 201, 203, 301, and 303, respectively.₂₀₁, AC₂₀₃, AC₃₀₁, AC₃₀₃Is applied between the displacement detection electrodes 4a._pOccurs. This i_pIs represented by the following equation. Note that s is a Laplace operator. C_20FIs the capacitance between the electrode 4a on the upper glass plate 3b and the electrode 9a on the upper surface of the floating rotating plate 2, and C_30FIs a capacitance between the electrode 4a on the bottom glass plate 3c and the electrode 9a on the bottom surface of the floating rotating plate 2.
i_p= K₁₃(C₂₀₁AC₂₀₁+ C₂₀₃AC₂₀₃+ C₃₀₁AC₃₀₁+ C₃₀₃AC₃₀₃)
K₁₃= 2 (C_20F+ C_30F) S / (2C₂₀₁+ 2C₂₀₃+ 2C₃₀₁+ 2C₃₀₃+ C_20F+ C_30F)
[0066]
AC voltage AC for detection represented by mathematical expressions (1) to (8)₂₀₁, AC₂₀₃, AC₃₀₁, AC₃₀₃And capacitance C₂₀₁, C₂₀₃, C₃₀₁, C₃₀ ₃When substituting and developing, displacement detection alternating current i_pIs expressed as:
i_p= K₁₃'(EXΔX + EθΔθ + EZΔZ)
K₁₃'= -8s (C_20F+ C_30F) / (8C₀+ C_20F+ C_30F)
[0067]
Moreover, the following formula | equation can be derived by performing the same consideration also in the YZ plane direction.
C₂₀₂= C₀(1 + ΔY + ΔZ + Δφ)
C₃₀₂= C₀(1 + ΔY−ΔZ−Δφ)
C₂₀₄= C₀(1-ΔY + ΔZ-Δφ)
C₃₀₄= C₀(1-ΔY-ΔZ + Δφ)
ΔY = (1 / 4C₀) (C₂₀₂+ C₃₀₂-C₂₀₄-C₃₀₄)
Δφ = (1 / 4C₀) (C₂₀₂-C₃₀₂-C₂₀₄+ C₃₀₄)
ΔZ = (1 / 4C₀) (C₂₀₂-C₃₀₂+ C₂₀₄-C₃₀₄)
i_p= K_I(EYΔY + EφΔφ + EZΔZ)
K_I= -8s (C_20F+ C_30F) / (8C₀+ C_20F+ C_30F)
[0068]
Where K_IIs a proportionality constant, and s is a Laplace operator. This displacement detection AC voltage V_PIs represented by the following equation.
V_P= V_P(X) + V_P(Y) + V_P(Z) + V_P(Θ) + V_P(Φ) (9)
[0069]
Here, each term on the right side is a voltage component corresponding to each displacement ΔX, ΔY, ΔZ, Δθ, Δφ, and is expressed as follows.
V_P(X) = K_IEXΔX = K_VXE₀ω_XΔXsin (ω_Xt + ζ_X) ... (10)
V_P(Y) = K_IEYΔY = K_VYE₀ω_YΔYsin (ω_Yt + ζ_Y(11)
V_P(Z) = K_IEZΔZ = K_VZE₀ω_ZΔZsin (ω_Zt + ζ_Z) ... (12)
V_P(Θ) = K_IEθΔθ = K_VθE₀ω_θΔθsin (ω_θt + ζ_θ) ... (13)
V_P(Φ) = K_IEφΔφ = K_VφE₀ω_φΔφsin (ω_φt + ζ_φ(14)
[0070]
Where K_VX, K_VY, K_VZ, K_Vθ, K_VφIs the capacitance C between the electrodes₀, C_20F, C_30FIt is a constant determined by. As is clear from the equations (9) to (14), the displacement detection AC voltage V_PIncludes all displacements of the floating rotating plate 2 independently. Therefore, if a desired voltage component is extracted from Equation (9), a corresponding displacement can be obtained. For example, even when two or more linear displacements ΔX, ΔY, ΔZ and two or more rotational displacements Δθ, Δφ are superposed, each displacement can be obtained by extracting the corresponding voltage component. In addition, this equation represents the displacement detection AC voltage V_{P is}Each displacement detection frequency ω corresponding to linear displacement ΔX, ΔY, ΔZ and rotational displacement Δθ, Δφ_X, Ω_Y, Ω_Z, Ω_θ, Ω_φIndicates that the amplitude is modulated.
[0071]
Next, a calculation method for calculating the amount of change in the voltage applied to control the floating rotating plate 2 and the translational acceleration and angular velocity of the housing 3 will be described below with reference to FIG. FIG. 17A is a schematic diagram for explaining the operation of the control unit 11 in which the electrodes 201 to 204, 301 to 304, and the electrode 9c are considered as schematic capacitors, and FIG. FIG. 6 is a schematic diagram for explaining a method of making the linear accelerations fx, fy, fz and rotational moments fθ, fφ non-dimensional.
[0072]
As shown in FIG. 17A, an electrode 90, which is an arbitrary one of a plurality of electrodes 9c provided in an annular shape on the upper surface of the floating rotating plate 2, and the upper surface glass of the storage housing 3 facing it. Of the electrodes 201 to 204 on the lower surface of the plate 3b, the electrode 40, which is any one of the comb-shaped electrodes 201, is considered as one schematic capacitor.
[0073]
The electrode 40 has a distance δ radially outward of the floating rotating plate 2 with respect to the electrode 90.₂The part where both overlap is a capacitor. This capacitor is arranged at the position of the radius r of the floating rotating plate 2, and the radial width is L, the circumferential width is B, and the gap is δ. The linear displacements ΔX, ΔY, ΔZ and rotational displacements Δθ, Δφ are made dimensionless by the following formula. Note that the subscript N represents a dimensionless quantity.
ΔX_N= ΔX / L
ΔY_N= ΔY / L
ΔZ_N= ΔZ / δ
Δθ_N= Δθ / (δ / r)
Δφ_N= Δφ / (δ / r)
[0074]
Next, a method for making the linear accelerations fx, fy, fz and the rotational moments fθ, fφ dimensionless will be described with reference to FIG. The linear accelerations fx, fy, and fz are made by the following equations.
fx_N= Fx (C₀V₀ ²/ L)^-1
fy_N= Fy (C₀V₀ ²/ L)^-1
fz_N= Fz (C₀V₀ ²/ Δ)^-1
fθ_N= Fθ (rC₀V₀ ²/ Δ)^-1
fφ_N= Fφ (rC₀V₀ ²/ Δ)^-1
[0075]
Here, the subscript N represents a dimensionless quantity. C₀Is the electrostatic capacity when the displacement of the floating rotating plate 2 is zero, and C using the dielectric constant ε₀= ΕBL / δ. V₀Is the control DC voltage when the displacement of the floating rotating plate 2 is zero, and r is the radius, that is, the distance from the rotation center axis of the floating rotating plate 2 to the capacitor. δ is an interval between the electrodes 40 and 90. Forces Fx, Fy, Fz and torques Tθ, Tφ to be applied to the floating rotating plate 2 can be expressed as follows.
Fx = fx_N
Fy = fy_N
Fz = fz_N
Fθ = fθ_N
Fφ = fφ_N
[0076]
Next, the change amount ΔV of the control DC voltage is obtained from the dimensionless forces Fx, Fy, Fz and the torques Tθ, Tφ.₂₀₁~ ΔV₂₀₄, ΔV₃₀₁~ ΔV₃₀₄Is calculated.
[0077]
DC voltage for control ± V applied to electrodes 201, 301 and 203, 303₂₀₁, ± V₃₀₁And ± V₂₀₃, ± V₃₀₃Of change ± ΔV₂₀₁, ± ΔV₃₀₁And ± ΔV₂₀₃, ± ΔV₃₀₃think about. 4 variations ± ΔV₂₀₁, ± ΔV₃₀₁And ± ΔV₂₀₃, ± ΔV₃₀₃Can be represented by three dimensionless forces Fx, Fy, Fz and torques Tθ, Tφ. Also, the control DC voltage ± V applied to the electrodes 202, 302 and 204, 304₂₀₂, ± V₃₀₂And ± V₂₀₄, ± V₃₀₄Of change ± ΔV₂₀₂, ± ΔV₃₀₂And ± ΔV₂₀₄, ± ΔV₃₀₄Can be similarly expressed by forces Fx, Fy, Fz and torques Tθ, Tφ.
[0078]
Therefore, in order to obtain the amount of change, the following another condition is further provided.
ΔV₂₀₁+ ΔV₃₀₁+ ΔV₂₀₃+ ΔV₃₀₃= 0 (15)
ΔV₂₀₂+ ΔV₃₀₂+ ΔV₂₀₄+ ΔV₃₀₄= 0 (16)
[0079]
Equation (15) is the XZ plane direction of the floating rotating plate 2, that is, between the electrodes 201, 301 and 203, 303 and the electrode 9c on the floating rotating plate facing each of them. Is zero in the YZ plane direction of the floating rotating plate 2, that is, between the electrodes 202, 302 and 204, 304 and the electrode 9 c on the floating rotating plate facing each of them. It represents that. By setting this condition, it is possible to prevent unnecessary charges from flowing into the floating rotating plate 2, and at the same time, change amounts ΔV of the eight control DC voltages.₂₀₁, ΔV₃₀₁, ΔV₂₀₃, ΔV₃₀₃, And ΔV₂₀₂, ΔV₃₀₂, ΔV₂₀₄, ΔV₃₀ ₄Can be uniquely determined.
[0080]
Next, the change amount of the control DC voltage is calculated from the dimensionless forces Fx, Fy, Fz and torques Tθ, Tφ. This arithmetic expression is expressed as follows.
ΔV₂₀₁= (V₀/ 4) (Fx + Fz / 2 + Tθ)
ΔV₃₀₁= (V₀/ 4) (Fx−Fz / 2−Tθ)
ΔV₂₀₂= (V₀/ 4) (Fy + Fz / 2 + Tφ)
ΔV₃₀₂= (V₀/ 4) (Fy-Fz / 2-Tφ)
ΔV₂₀₃= (V₀/ 4) (−Fx + Fz / 2−Tθ)
ΔV₃₀₃= (V₀/ 4) (-Fx-Fz / 2 + Tθ)
ΔV₂₀₄= (V₀/ 4) (-Fy + Fz / 2-Tφ)
ΔV₃₀₄= (V₀/ 4) (-Fy-Fz / 2 + Tφ)
[0081]
The control DC voltage generated in the control voltage generator 15 and supplied to the electrodes 201 to 204 and 301 to 304 is expressed by the following equation.
V₂₀₁= V₀+ ΔV₂₀₁
V₃₀₁= V₀+ ΔV₃₀₁
V₂₀₂= V₀+ ΔV₂₀₂
V₃₀₂= V₀+ ΔV₃₀₂
V₂₀₃= V₀+ ΔV₂₀₃
V₃₀₃= V₀+ ΔV₃₀₃
V₂₀₄= V₀+ ΔV₂₀₄
V₃₀₄= V₀+ ΔV₃₀₄
[0082]
V₀Is a reference voltage. Each of the electrodes 201 to 204 and 301 to 304 has a control DC voltage V₂₀₁~ V₂₀₄, V₃₀₁~ V₃₀₄Is applied.
[0083]
Next, the force actually acting on the floating rotating plate 2 is obtained. An electrostatic force Fz1 acting on a portion of the floating rotating plate 2 sandwiched between the electrode 201 and the electrode 301 is a control DC voltage V₂₀₁And V₃₀₁Is proportional to the difference. The same applies to the portion sandwiched between the electrodes 202 to 204 and the electrodes 302 to 304, which can be expressed by the following equation.
Fz1 = K_Z(V₂₀₁-V₃₀₁)
Fz2 = K_Z(V₂₀₂-V₃₀₂)
Fz3 = K_Z(V₂₀₃-V₃₀₃)
Fz4 = K_Z(V₂₀₄-V₃₀₄)
[0084]
K_ZIs a constant determined by the shape of the capacitor formed by the electrode 9c of the floating rotating plate 2 and the electrodes 201 to 204 and 301 to 304 of the housing 3. The resultant electrostatic force acting on the floating rotating plate 2 is the sum of the electrostatic forces acting on the portion of the floating rotating plate 2 sandwiched between the electrodes 201-204 and the electrodes 301-304. It is expressed by a formula.
Fz = K_Z(V₂₀₁-V₃₀₁+ V₂₀₂-V₃₀₂+ V₂₀₃-V₃₀₃+ V₂₀₄-V₃₀₄) ... (17)
[0085]
As described above, the plurality of electrodes 9 c provided in an annular shape on the upper surface of the floating rotating plate 2 and the electrodes 201 to 204 and 301 to 304 of the storage housing 3 facing the electrodes 9 c have a rotation radius of the floating rotating plate 2. The floating rotating plate 2 receives forces in the X-axis direction and the Y-axis direction. The force in the X-axis direction acting on the floating rotating plate 2 is a force acting on each part of the floating rotating plate 2 sandwiched between the electrodes 201 and 203 and the electrodes 301 and 303, and is expressed by the following equation. Is done.
Fx1 = K_X(V₂₀₁+ V₃₀₁)
FX3 = K_X(V₂₀₃+ V₃₀₃)
[0086]
The force in the X-axis direction acting on the floating rotating plate 2 is a force acting on each portion sandwiched between the electrodes 201 and 203 and the electrodes 301 and 303, and is expressed by the following equation.
Fx = Fx1-Fx3 = K_X(V₂₀₁+ V₃₀₁-V₂₀₃-V₃₀₃) ... (18)
[0087]
Similarly, the force in the Y-axis direction acting on the floating rotating plate 2 is a force acting on each portion of the floating rotating plate 2 sandwiched between the electrodes 202 and 204 and the electrodes 302 and 304, and Expressed in the formula.
Fy = Fy2-Fy4 = K_Y(V₂₀₁+ V₃₀₁-V₂₀₃-V₃₀₃(19)
[0088]
Further, in the XZ plane direction of the floating rotating plate 2, when the electrostatic forces Fz1 and Fz3 in the Z-axis direction described above are acting in opposite directions, the torque Tθ that rotates the floating rotating plate 2 around the Y axis. Is generated. Similarly, in the YZ plane direction, when the electrostatic forces Fz2 and Fz4 in the Z-axis direction are the effects of opposite forces, a torque Tφ that rotates the floating rotating plate 2 around the X-axis is generated. These torques Tθ and Tφ are expressed by the following equations.
Tθ = (Fz3−Fz1) r (20)
Tφ = (Fz4-Fz2) r (21)
[0089]
Next, the translational acceleration α applied to the optical scanning device 1 from the forces Fx, Fy, Fz and the torques Tθ, Tφ to be applied to the floating rotating plate 2._x, Α_Y, Α_ZThe angular velocities dθ / dt and dφ / dt are expressed by the following equations.
α_x= Fx / mg (22)
α_Y= Fy / mg (23)
α_Z= Fz / mg (24)
dθ / dt = Tφ / H (25)
dφ / dt = Tθ / H (26)
[0090]
m is the mass of the floating rotating plate 2, g is the gravitational acceleration, and H is the spin angular momentum of the floating rotating plate 2. The right side of the formulas (22) to (26) is the force or torque to be applied to the floating rotating plate 2 so that the displacement of the floating rotating plate 2 becomes zero, and the formulas (17) to (21). Can be represented by
[0091]
Next, an operation in the case of scanning light in the optical scanning device 1 of the first and second embodiments will be described.
[0092]
As shown in FIGS. 1 to 4, when a light beam is emitted from a light source (not shown) toward the floating rotating plate 2, the light beam passes through the upper glass plate 3 b and is diffracted on the light deflection layer 6. Incidently perpendicular to the portion 71.
[0093]
The diffraction section 71 has a grating interval set to an integral multiple of the wavelength of incident light, and the light beam incident from the central axis direction of the floating rotating plate 2 has a diffraction peak in the XY plane direction of the floating rotating plate 2. . When the diffractive portion 71 is formed in a simple stripe structure, a part of the light beam incident from the central axis direction (Z-axis direction) of the floating rotating plate 2 is perpendicular to the XY plane direction and the stripe of the diffractive portion 71. In the first embodiment, the two light beams are respectively deflected in the ± X direction, and in the second embodiment, the light beam is one light beam deflected in the −X direction. 20 is propagated. The light beam propagating through the optical waveguide 20 is emitted from the end of the light deflection layer 6 and is incident on the optical waveguide 3e formed on the ring on the wall surface glass plate 3d of the housing 3. After propagating through the optical waveguide 3e, the light beam is emitted from the end face to the outside of the apparatus. Therefore, the emitted light beam is rotationally scanned as the floating rotating plate 2 rotates.
[0094]
As is apparent from the above description, according to the optical scanning device 1 of the first and second embodiments of the present invention, the extremely small floating rotating plate 2 is housed in the housing 3. By doing so, there is an effect that the optical scanning device 1 can be reduced in size. Further, since the floating rotating plate 2 is housed in the housing 3, the floating rotating plate 2 is isolated from the air flow, and the stability is improved. In addition, there is an effect that optical scanning can be performed at high speed by rotating the floating rotating plate 2 stably and at high speed in the housing 3. Further, there is an effect that the optical scanning device 1 is precisely controlled by detecting the translation position of the floating rotating plate 2, the inclination of the central axis, and the rotational speed. Furthermore, by performing an operation based on the detected value, there is an effect that the relative translational acceleration and angular velocity of the optical scanning device 1 can be calculated and output.
[0095]
Further, since the floating rotating plate 2 receives almost no air resistance in the space 3a that is sealed under reduced pressure, there is an effect that the loss of energy is small, rotation is driven at high speed while maintaining high stability. is there. In addition, since it is possible to prevent external dirt and foreign matter from being mixed, the initial characteristics can be maintained for a long time.
[0096]
Further, a light beam is incident on the floating rotating plate 2 substantially perpendicularly, deflected in a predetermined direction on an XY plane parallel to the floating rotating plate 2, and scanned by the rotation of the floating rotating plate 2. Therefore, since the light beam is scanned in the same plane, the optical system is simplified and the optical scanning device 1 can be configured to be extremely small. Further, since the light beam incident on the floating rotating plate 2 is configured to be deflected by the diffraction unit 71, the light deflecting means can be formed two-dimensionally on the surface of the floating rotating plate 2, and has a simple structure. The effect is that the deflection effect can be exhibited.
[0097]
Further, since the diffractive portion 71 is a diffraction grating formed on the floating rotating plate 2 by a stripe-shaped refractive index distribution having an equally spaced pitch, the diffraction unit 71 is formed on the floating rotating plate 2 made of a material such as silicon. There is an effect that a diffraction grating can be easily formed. Since the light beam deflected by the diffracting unit 71 is propagated by the optical waveguides 20 and 3e, there is an effect that the coupling optical system can have a simple structure. The optical waveguides 20 and 3 e can be omitted and may be configured to be provided on either the floating rotating plate 2 or the housing 3.
[0098]
The configuration of the light deflection layer 6 is not limited to the first and second embodiments described above, and can be implemented with various modifications. Hereinafter, modified examples of the light deflection layer 6 will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a partial cross-sectional view showing a modification of the floating rotating plate 2 having a diffraction grating formed by a three-dimensional structure. FIG. 9 is a partial cross-sectional view showing a modification of the floating rotating plate 2 in which the unevenness angle is set so as to improve the diffraction efficiency. FIG. 10 is a partial cross-sectional view showing a modification of the floating rotating plate 2 configured by stacking diffraction gratings corresponding to three types of wavelengths. FIG. 11 is a partial cross-sectional view showing a modification of the floating rotating plate 2 in which diffraction gratings corresponding to three types of wavelengths are configured on substantially the same surface of the floating rotating plate 2. FIG. 12 is a perspective view showing a modification of the floating rotating plate 2 formed by stacking a plurality of diffraction gratings having different diffraction directions. FIG. 13 is a perspective view showing a modified example of the floating rotating plate 2 in which a plurality of diffraction gratings having different diffraction directions are configured on substantially the same surface of the floating rotating plate 2.
[0099]
In the modification shown in FIG. 8, the diffractive portion 72 is located in the vicinity of the center of the light deflection layer 6 provided in a circle on the upper surface of the floating rotating plate 2 in the first embodiment, in the second embodiment. Are formed in the vicinity of the inner periphery of the light deflection layer 6 provided in an annular shape around the circumference of the upper surface of the floating rotating plate 2 by a diffraction grating having striped grating grooves, that is, irregularities formed at equal intervals. Therefore, this modification has an effect that the diffraction grating can be easily formed on the floating rotating plate 2 made of a material such as silicon. In this case, the pitch of the unevenness is an integral multiple of the wavelength of the incident light, and the incident angle is diffracted in the ± X directions. However, in the optical scanning device 1 according to the second embodiment, since the light deflection layer 6 is provided on the circumferential periphery of the floating rotating plate 2, it is diffracted in the −X direction as shown in FIG. The emitted light beam is not emitted outside the optical scanning device 1. Furthermore, if the floating rotating plate 2 is rotated, the diffracted light can be scanned in the XY plane.
[0100]
In the modification shown in FIG. 9, the diffractive portion 73 is a diffraction grating formed by striped concavo-convex portions with a pitch equal to an integer multiple of the wavelength as in the diffractive portion 72. Are formed at an angle of θ = 45 degrees with respect to the XY plane. If the grating elements are formed at 45 degrees, light incident perpendicularly from right above is reflected right sideways, and the diffraction distribution by a single grating element has the maximum intensity in the right side direction (XY plane direction).
[0101]
Therefore, in this modification, the direction in which the diffraction intensity by each grating element is maximized coincides with the diffraction direction caused by the periodicity of the diffractive portion formed by a plurality of grating elements. The effect is that the diffraction efficiency can be improved. Further, by rotating the floating rotating plate 2, bright diffracted light can be scanned in the XY plane.
[0102]
In the modification shown in FIG. 10, a red light diffractive part 74R, a green light diffractive part 74G, and a blue light diffractive part 74B that diffract light beams having different wavelengths of red, green, and blue are stacked in the Z-axis direction. The light beams having three types of wavelengths can be diffracted. Therefore, in this modification, there is an effect that the diffractive portions corresponding to the wavelengths of the respective light beams stacked in the central axis direction and formed on the floating rotating plate 2 can diffract the light beams having a plurality of types of wavelengths. . Furthermore, by rotating the floating rotating plate 2, light beams having different wavelengths of red, green, and blue can be scanned in the XY plane.
[0103]
In the modification shown in FIG. 11, the red light diffracting portion 75R, the green light diffracting portion 75G, and the blue light diffracting portion 75B that diffract light beams having different wavelengths of red, green, and blue are arranged on substantially the same plane ( This is formed on the floating rotating plate 2 on the XY plane, and can diffract light beams of three types of wavelengths as in the modification of FIG. Therefore, in this modified example, there is an effect that the diffractive portion corresponding to the wavelength of each light beam formed on the floating rotary plate 2 on substantially the same plane can diffract light beams of a plurality of types of wavelengths. Further, by rotating the floating rotating plate 2, light beams having different wavelengths of red, green, and blue can be scanned in substantially the same plane in the XY directions.
[0104]
The modification shown in FIG. 12 is formed by laminating a diffractive portion 76 diffracting light in the ± X direction and a diffracting portion 77 diffracting in the ± Y direction in the Z-axis direction, and deflects the light beam in four directions. can do. Therefore, in this modification, the diffracting means corresponding to the wavelengths of the light beams for diffracting the light beams of a plurality of types of wavelengths stacked in the central axis direction and formed on the floating rotating plate 2 is provided with a plurality of types of diffraction means. There is an effect that a light beam having a wavelength can be diffracted. Furthermore, by rotating the floating rotating plate 2, light can be scanned in a plurality of directions at once in the XY plane.
[0105]
The modification shown in FIG. 13 includes a diffraction grating portion 78 formed by superimposing a diffractive portion that diffracts light in the ± X direction and a diffractive portion that diffracts light in the ± Y direction on the XY plane. Similarly to the modified example of FIG. 12, the light beam can be deflected in four directions. Therefore, in this modified example, there is an effect that a plurality of diffracting means formed on the floating rotating plate 2 on substantially the same plane can diffract an incident light beam in a plurality of directions.
[0106]
Next, a modified example of the floating rotating plate 2 using a polygon mirror as the diffraction means will be described with reference to FIGS. FIG. 14 is a perspective view showing a modification in which a quadrangular pyramid-shaped reflecting mirror is formed on the floating rotating plate 2. FIG. 15 is a perspective view showing a modification in which the floating rotating plate 2 is constituted by a polygon mirror.
[0107]
In the modification shown in FIG. 14, a quadrangular pyramid-shaped reflecting mirror 31 is formed on the floating rotating plate 2, and a light beam incident from the Z-axis direction is deflected in the XY plane direction, and the floating rotating plate 2 rotates. Is scanned. Therefore, in this modified example, since the reflecting mirror 31 reflects the light beam, the light beam can be deflected in a predetermined direction, so that high deflection efficiency can be realized and stable against fluctuations in the light source wavelength. There is an effect that the light beam can be deflected.
[0108]
In the modification shown in FIG. 15, the floating rotating plate 2 has a polygonal column shape (an octagonal column in FIG. 15), and a reflecting mirror 32 is formed on the side surface thereof. The mirror 32 can be reflected in the XY plane direction for scanning. Therefore, in this modified example, since the reflecting mirror 32 formed on the side surface portion of the octagonal prism reflects the light beam, there is an effect that a large number of scanning lines per rotation of the floating rotating plate 2 can be taken.
[0109]
Of course, the floating rotating plate 2 may be formed in a polygonal column, a polygonal pyramid, or a polygonal frustum shape other than the shapes shown in FIGS. 14 and 15.
[0110]
Next, an embodiment of an image forming apparatus including the optical scanning device 1 will be described with reference to the drawings. FIG. 16 is an overall configuration diagram showing an overall configuration of a retinal scanning display 100 using the optical scanning device 1. In the retinal scanning display 100, the horizontal scanning system 117 uses the optical scanning device 1 of the first and second embodiments. When an external video signal and a BD (Beam Detector) signal from the optical sensor 117a of the horizontal scanning system 117 are supplied to the light source unit 101, the video signal supply circuit 105 causes the video signal, the horizontal synchronization signal 103, and the vertical synchronization signal to be supplied. 104 is generated. The optical sensor 117a for detecting the BD signal is provided at the end of the scanning range of the scanning light emitted from the optical scanning device 1, and receives the scanning light once for each scanning, so that the optical scanning device 1 is a sensor for detecting one optical scanning period. The BD signal detection circuit 102 monitors the resistance value that changes every time the optical sensor 117 a senses the scanning light, generates a BD signal based on the resistance value, and outputs the BD signal to the video signal supply circuit 105. Based on the outputted BD signal, the image forming apparatus determines the start end of the image.
[0111]
The B laser driver 106, the G laser driver 107, and the R laser driver 108 are supplied with blue laser light and green light from the B laser light source 109, the G laser light source 110, and the R laser light source 111 based on the video signal output from the video signal supply circuit 105. Laser light and red laser light are emitted. The laser beams of these three colors are collimated by a collimating optical system, synthesized by a dichroic mirror 113, and guided to an optical fiber 115 by a coupling optical system 114.
[0112]
The laser light guided by the optical fiber 115 is incident on the deflection surface of the optical scanning device 1 of the horizontal scanning system 117 from the vertical direction by the first relay optical system 116. The laser light emitted horizontally from the deflection surface is scanned in the horizontal direction and is incident on the galvano mirror 119c of the vertical scanning system 119 by the second relay optical system 118. The laser beam is scanned in the vertical direction by the vertical scanning system 119 and is incident on the pupil of the observer by the third relay optical system 120. The third relay optical system 120 causes a light beam that has been two-dimensionally scanned by the horizontal scanning system 117 and the vertical scanning system 119 to enter the pupil of the observer, and finally includes a plurality of lenses for projecting onto the observer's retina. It is an optical system configured in combination. The observer can recognize the image by the laser light thus two-dimensionally scanned and projected onto the retina.
[0113]
The translational acceleration and angular velocity of the optical scanning device 1 detected and calculated by the optical scanning device 1 are output from the optical scanning device displacement calculation unit 18 and output to the video signal supply circuit 105. The video signal supply circuit 105 can reflect various effects on the output video signal by using the calculated translational acceleration and angular velocity of the optical scanning device 1.
[0114]
Therefore, in the retinal scanning display 100, the optical scanning device 1 which is a main component is small in size and high in speed and high in resolution, so that the retinal scanning display 100 can be miniaturized and a high resolution image can be displayed at high speed. There is an effect that it can be formed.
[0115]
The present invention is not limited to the first and second embodiments described above, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
[0116]
For example, in the optical scanning device 1 of the first and second embodiments, the floating rotating plate 2 is housed in the glass capsule-shaped housing 3, but is not limited thereto. In short, the optical scanning device 1 can be miniaturized as long as the light beam is perpendicularly incident on the light deflection layer 6 of the floating rotating plate 2 and deflected in the circumferential direction parallel to the surface direction of the floating rotating plate 2. It can be done.
[0117]
Further, it goes without saying that the optical scanning device 1 of the first and second embodiments can be used for an image forming apparatus other than the retinal scanning display 100. For example, the optical scanning device 1 may be incorporated in a laser printer, a copier, or the like so that the laser beam is scanned on the photosensitive drum. Also, as an image forming apparatus in a navigation system such as an automobile, it provides information such as speed, acceleration, and position to the driver, and is an image forming apparatus in a safe navigation system that hardly shifts the viewpoint during driving. It may be configured.
[0118]
【The invention's effect】
As described above, in the optical scanning device according to the first aspect of the present invention, the floating rotating plate having the light deflecting means for deflecting the incident light beam in the predetermined direction is housed in the space formed inside and is in the floating state. In the storage housing that is rotatably supported, the floating rotation driving means floats the floating rotation plate stored in the storage case by electrostatic force, and rotates the floating rotation plate around the central axis of the floating rotation plate. The detection means detects the translation position and rotation position of the floating rotating plate with respect to the housing case and outputs a signal, and the control means outputs a feedback signal for controlling the floating rotation driving means based on the output signal of the position detection means. By doing so, the translational position and the rotational position of the floating rotating plate are maintained in a desired state, and the motion detection unit calculates at least one of the output signal of the position detection unit and the feedback signal of the control unit. Subjected, it can be at least one calculated by the output of the translational acceleration and the angular velocity of the housing case. Therefore, the optical scanning device can be miniaturized by adopting a configuration in which an extremely small floating rotating plate is accommodated in the housing case. Moreover, stability can be improved by accommodating a floating rotation board in a storage housing | casing, and isolating it from the flow of air. In addition, it is possible to perform optical scanning at high speed by rotating the floating rotating plate stably and with a light beam in the housing. Further, the floating rotating plate can be controlled based on either the translational acceleration or the angular velocity of the housing case, and the optical scanning can be precisely controlled.
[0119]
Further, in the optical scanning device of the invention according to claim 2, in addition to the effect of the invention according to claim 1, the space formed inside the housing is decompressed, and there is almost no air resistance. The rotational force of the floating rotating plate is difficult to lose. Therefore, the loss of kinetic energy of the floating rotating plate is small, and the floating rotating plate can be rotationally driven at high speed while maintaining high stability.
[0120]
In the optical scanning device according to the third aspect of the invention, in addition to the effect of the invention according to the first or second aspect, at least a part of the surface of the housing housing that faces the light deflecting means is formed of a translucent member. The light deflecting means deflects the light beam that has passed through the translucent member and entered substantially perpendicularly to the floating rotating plate in a predetermined single direction or a plurality of directions on a plane substantially parallel to the floating rotating plate. can do. Therefore, since the light beam is scanned in the same plane, the optical system is simplified, and the optical scanning device can be made smaller.
[0121]
Further, in the optical scanning device of the invention according to claim 4, in addition to the effect of the invention according to any of claims 1 to 3, the light deflecting means is constituted by a diffracting means, and has a simple structure and an incident light beam. Can be deflected. Therefore, the light deflection means can be formed two-dimensionally on the surface of the floating rotating plate, and the deflection effect can be exhibited with a simple structure.
[0122]
Further, in the optical scanning device of the invention according to claim 5, in addition to the effect of the invention according to claim 4, the diffractive means is formed by a stripe-shaped refractive index distribution having a pitch of equal intervals formed on the floating rotating plate. It consists of a configured diffraction grating and can deflect an incident light beam in a predetermined direction. Therefore, the diffraction grating can be easily formed on the floating rotating plate made of a material such as silicon.
[0123]
Further, in the optical scanning device of the invention according to claim 6, in addition to the effect of the invention according to claim 4, the diffractive means is constituted by a stripe-shaped three-dimensional structure formed on a floating rotating plate and having an equally spaced pitch. The incident light beam can be deflected in a predetermined direction. Therefore, the diffraction grating can be easily formed on the floating rotating plate made of a material such as silicon.
[0124]
Further, in the optical scanning device of the invention according to claim 7, in addition to the effect of the invention according to claim 5 or 6, the diffraction means has a diffraction intensity distribution with respect to an incident light beam included in an individual grating element constituting the diffraction means. And the maximum direction of diffraction intensity based on the periodic structure of the diffraction means are the same, so that the diffraction efficiency can be improved by a synergistic effect of both.
[0125]
Further, in the optical scanning device according to the eighth aspect of the invention, in addition to the effect of the invention according to any one of the fourth to seventh aspects, the diffraction means corresponding to the wavelength of each light beam is formed on the floating rotating plate on substantially the same plane. Therefore, the light deflecting unit can diffract the light beams having a plurality of types of wavelengths by the respective diffracting units corresponding to the wavelengths of the respective light beams.
[0126]
In the optical scanning device according to the ninth aspect of the invention, in addition to the effect of the invention according to any one of the fourth to seventh aspects, the diffractive means corresponding to the wavelength of each light beam is laminated in the direction of the central axis, and the floating rotating plate Therefore, the light deflector can diffract the light beams having a plurality of types of wavelengths.
[0127]
Further, in the optical scanning device according to the tenth aspect, in addition to the effect of the invention according to any one of the fourth to ninth aspects, a plurality of diffracting means corresponding to the respective diffraction directions are formed on the floating rotating plate on substantially the same plane. Since it is formed, the light deflecting means can diffract the incident light beam in a plurality of directions.
[0128]
In the optical scanning device according to the eleventh aspect, in addition to the effect of the invention according to any one of the fourth to ninth aspects, a plurality of diffraction means corresponding to the respective diffraction directions are stacked in the central axis direction to perform floating rotation. Since it is formed on the plate, the light deflecting means can diffract the incident light beam in a plurality of directions.
[0129]
Further, in the optical scanning device of the invention according to claim 12, in addition to the effect of the invention according to any of claims 1 to 3, the light deflecting means is constituted by a polygon mirror that can reflect the light beam, and is incident The light beam can be deflected in a predetermined direction. Accordingly, high deflection efficiency can be realized, and the light beam can be deflected stably even with respect to fluctuations in the light source wavelength.
[0130]
In the optical scanning device according to the thirteenth aspect of the invention, in addition to the effect of the invention according to the twelfth aspect, the polygon mirror is formed on any side surface portion of the polygonal column, the polygonal pyramid, or the polygonal frustum. The incident light beam can be deflected in a predetermined direction. Accordingly, the number of scanning lines per rotation of the floating rotating plate can be increased.
[0131]
In the optical scanning device according to the fourteenth aspect of the invention, in addition to the effect of the invention according to any one of the first to thirteenth aspects, the guide formed on either or both of the floating rotating plate and the housing case. With the waveguide structure, the light beam can be propagated through the light deflection means. Therefore, the coupling optical system can have a simple structure.
[0132]
In the optical scanning device according to the fifteenth aspect of the invention, in addition to the effect of the invention according to any one of the first to fourteenth aspects, the floating rotating plate is made of a conductive material, and the housing is made of an insulating material. Since the electrodes facing each other are formed on both sides of the floating rotating plate, and the inner wall upper wall and inner wall bottom wall of the floating rotating plate, the floating rotating plate is floated and rotated by the electrostatic force between both electrodes. It can be driven. Therefore, the optical scanning device 1 can be downsized.
[0133]
According to a sixteenth aspect of the present invention, an image forming apparatus including the optical scanning device according to the sixteenth aspect includes at least one optical scanning device according to any one of the first to fifteenth aspects, and the modulation means is emitted from at least one light source. The light beam to be modulated is modulated in accordance with the image signal, the light beam modulated by the scanning means is scanned two-dimensionally, and the light beam scanned by the optical system can be incident on the pupil of the observer. Therefore, since the optical scanning device which is a main component is small and has high speed and high resolution, the image forming apparatus can be miniaturized and a high resolution image can be formed at high speed. In addition, the translation acceleration and angular velocity output from the optical scanning device can be used to provide feedback to the image forming apparatus in accordance with the operation of the observer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the structure of an optical scanning device 1 according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional structure of the optical scanning device 1 in the first embodiment.
FIG. 3 is a perspective view schematically showing a structure of an optical scanning device 1 in a second embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a cross-sectional structure of an optical scanning device 1 in a second embodiment.
FIG. 5 is a partial cross-sectional view of a floating rotating plate 2 having a diffraction grating formed by a refractive index distribution.
6A is a cross-sectional view in the XZ plane of the optical scanning device 1 in the first embodiment, and FIG. 6B is an optical scanning device 1 in the first embodiment. It is a top view in XY plane.
FIG. 7A is a cross-sectional view in the XZ plane of the optical scanning device 1 in the second embodiment, and FIG. 7B is an optical scanning device 1 in the second embodiment. It is a top view in XY plane.
FIG. 8 is a partial cross-sectional view showing a modification of the floating rotating plate 2 having a diffraction grating formed by a three-dimensional structure.
FIG. 9 is a partial cross-sectional view showing a modification of the floating rotating plate 2 in which the unevenness angle is set so as to improve the diffraction efficiency.
FIG. 10 is a partial cross-sectional view showing a modification of the floating rotating plate 2 formed by stacking diffraction gratings corresponding to three types of wavelengths.
FIG. 11 is a partial cross-sectional view showing a modification of the floating rotating plate 2 in which diffraction gratings corresponding to three types of wavelengths are configured on substantially the same surface of the floating rotating plate 2;
FIG. 12 is a perspective view showing a modified example of the floating rotating plate 2 formed by stacking a plurality of diffraction gratings having different diffraction directions.
FIG. 13 is a perspective view showing a modified example of the floating rotating plate 2 in which a plurality of diffraction gratings having different diffraction directions are configured on substantially the same surface of the floating rotating plate 2;
FIG. 14 is a perspective view showing a modification in which a quadrangular pyramid-shaped reflecting mirror is formed on the floating rotating plate 2;
FIG. 15 is a perspective view showing a modification in which the floating rotating plate 2 is constituted by a polygon mirror.
FIG. 16 is a diagram showing an overall configuration of a retinal scanning display 100 using the optical scanning device 1;
17A is a schematic diagram for explaining the operation of the control unit 11 in which the electrodes 201 to 204, 301 to 304, and the electrode 9c are considered as typical capacitors. FIG. (B) is a schematic diagram for explaining a method of making the linear accelerations fx, fy, fz and rotational moments fθ, fφ non-dimensional.
[Explanation of symbols]
1 Optical scanning device
2 Floating rotating plate
3 Storage case
3a space
3b Top glass plate
3c Bottom glass plate
3d wall glass plate
3e Optical waveguide
4 Electrode group
6 Light deflection layer
9 Electrode group
11 Control unit
12 Displacement calculation part
13 PID calculator
16 Drive unit
17 Acceleration output calculator
18 Optical scanning device displacement calculator
20 Optical waveguide
31 Reflector
32 Reflector
71 Diffractive part
71a lattice area
100 Retina scanning display

Claims

A floating rotating plate having light deflecting means for deflecting the incident light beam in a predetermined direction;
A housing case in which a space portion is formed, and the floating rotating plate is housed in the space portion and is rotatably supported in a floating state;
Floating floating driving means for floating the floating rotating plate stored in the storage case by electrostatic force and rotating around a central axis of the floating rotating plate;
Position detecting means for detecting a translation position and a rotation position of the floating rotating plate with respect to the housing case and outputting a signal;
Control means for maintaining the translational position and the rotational position of the floating rotating plate in a desired state by outputting a feedback signal for controlling the floating rotating driving means based on the output signal of the position detecting means;
A motion detection means for calculating at least one of the translational acceleration and the angular velocity of the housing case by calculating at least one of the output signal of the position detection means and the feedback signal of the control means; An optical scanning device characterized by the above.

The optical scanning device according to claim 1, wherein a space portion formed in the housing case is decompressed.

At least a part of the surface of the storage housing that faces the light deflecting unit is configured by a translucent member,
The light deflecting means transmits a light beam transmitted through the translucent member and incident substantially perpendicularly to the floating rotating plate in a predetermined single direction or a plurality of directions on a plane substantially parallel to the floating rotating plate. The optical scanning device according to claim 1, wherein the optical scanning device is configured to be deflected.

4. The optical scanning device according to claim 1, wherein the light deflecting unit is constituted by a diffracting unit.

5. The optical scanning device according to claim 4, wherein the diffracting means comprises a diffraction grating formed by a stripe-shaped refractive index distribution having an equally spaced pitch formed on the floating rotating plate.

5. The optical scanning device according to claim 4, wherein the diffracting means comprises a diffraction grating formed on a three-dimensional structure in a stripe shape having an equal interval pitch formed on the floating rotating plate.

The diffraction means is characterized in that the maximum direction of the diffraction intensity distribution with respect to an incident light beam included in the individual grating elements constituting the diffraction means is the same as the maximum direction of the diffraction intensity based on the periodic structure of the diffraction means. The optical scanning device according to claim 5 or 6.

The diffractive means corresponding to the wavelength of each light beam for diffracting light beams having a plurality of types of wavelengths is formed on the floating rotating plate on substantially the same plane. The optical scanning device according to any one of 4 to 7.

The light deflecting means is characterized in that diffracting means corresponding to wavelengths of light beams for diffracting light beams of a plurality of types of wavelengths are stacked on the central axis direction and formed on the floating rotating plate. The optical scanning device according to claim 4.

The light deflecting means includes a plurality of diffracting means corresponding to each diffraction direction formed on the floating rotating plate on substantially the same plane in order to diffract an incident light beam in a plurality of directions. Item 10. The optical scanning device according to any one of Items 4 to 9.

The light deflecting means includes a plurality of diffracting means corresponding to each diffraction direction stacked in the central axis direction and formed on the floating rotating plate in order to diffract an incident light beam in a plurality of directions. An optical scanning device according to any one of claims 4 to 9.

4. The optical scanning device according to claim 1, wherein the light deflecting unit is configured by a polygonal mirror capable of reflecting a light beam.

The optical scanning device according to claim 12, wherein the polygon mirror is formed on a side surface portion of a polygonal column, a polygonal pyramid, or a polygonal frustum.

14. A waveguide structure for propagating a light beam through the light deflecting means is formed on one or both of the floating rotating plate and the housing case. Any one of the optical scanning devices.

The floating rotating plate is made of a conductive material, the storage casing is made of an insulating material, and faces both surfaces of the floating rotating plate and the inner and upper inner walls of the receiving casing. The optical scanning device according to claim 1, wherein an electrode is formed.

At least one light source, modulation means for modulating the light beam emitted from the light source in accordance with an image signal, scanning means for two-dimensionally scanning the modulated light beam, and the scanned light beam for an observer In an image forming apparatus comprising an optical system for entering a pupil,
An image forming apparatus comprising at least one optical scanning device according to claim 1.