JP2003084226A - 光走査装置 - Google Patents

光走査装置

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JP2003084226A
JP2003084226A JP2001279420A JP2001279420A JP2003084226A JP 2003084226 A JP2003084226 A JP 2003084226A JP 2001279420 A JP2001279420 A JP 2001279420A JP 2001279420 A JP2001279420 A JP 2001279420A JP 2003084226 A JP2003084226 A JP 2003084226A
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光美 藤井
Tomohiro Nakajima
智宏 中島
Yukito Sato
幸人 佐藤
Yoshiaki Hayashi
善紀 林
Eiji Mochizuki
栄二 望月
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 部材の加工精度のばらつきが起因して発生す
るミラーの共振周波数のばらつきを調節し、ミラーの振
れ角を一定にする光スキャナを有する光走査装置を提供
する。 【解決手段】 光源28と、光スキャナ4を備える光走
査装置60であって、光スキャナ4は、フレーム基板9
と、固定部材5と、ミラー基板7に弾性部材3を介して
支持されたミラー1とを有し、弾性部材3を捻り回転軸
としてミラー1を往復振動させて光源28からの照射光
を偏向する光スキャナ4であり、ミラー1と捻り回転軸
としての弾性部材3とで決まる固有の共振周波数を調節
する調節手段を有する光走査装置である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、微小なミラーを揺
動させて光ビームの偏向を行う光スキャナを備えた光走
査装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年におけるレーザー光等の光ビームを
走査する光走査装置は、バーコードリーダ、レーザープ
リンタ、ヘッドマウントディスプレー等の光学機器に用
いられている。この種の光スキャナとして、マイクロマ
シニング技術を利用した微小ミラーを揺動させる構成の
ものが提案されている。
【0003】図15は、従来の光走査装置に用いられる
光スキャナの斜視図と断面図である。同一直線上に設け
た2本の梁としての弾性部材3を回転軸として支持され
たミラー1と、ミラー1に設けた可動電極26と、可動
電極26に対向して固定部材5に設けた固定電極25を
有し、可動電極26と固定電極25との間の静電吸引力
で、2本の弾性部材3を捻り回転軸としてミラー1を往
復振動させる光スキャナである。上記光スキャナにおい
て、ミラー1の共振周波数f0は概略以下の式で与えら
れる。 f0=1/2π√(Kθ/I) ・・・(式1) 但し、Iはミラー慣性モーメント、Kθは2本の弾性部
材によって決まるバネ定数を表す。ところで、例えば、
弾性部材3は加工時によって精度にばらつきを生じる。
これにより、Kθがばらつく。よって、式1で示される
共振周波数f0の値にもばらつきを生じることになる。
複数の光スキャナを有する光走査装置において、各光ス
キャナ間でミラー1の共振周波数f0にばらつきがある
と、図15(b)に示すミラーの振れ角θにばらつきを
生じるため、その結果、隣接する光スキャナ間によって
形成される画像のつなぎ目が視認できるようになり、画
質の劣化を招くという問題点がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記問題点に鑑み、本
発明は、部材の加工精度のばらつきが起因して発生する
ミラーの共振周波数のばらつきを調節し、ミラーの振れ
角を一定にする光スキャナを有する光走査装置を提供す
ることを課題とする。更には、前記光走査装置を備え、
良好な画質の画像形成を行う画像形成装置を提供するこ
とを課題とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項1に記載の発明は、光源と、光スキャナを備
える光走査装置であって、前記光スキャナは、フレーム
基板と、固定部材と、ミラー基板に弾性部材を介して支
持されたミラーとを有し、前記弾性部材を捻り回転軸と
して前記ミラーを往復振動させて光源からの照射光を偏
向する光スキャナであり、前記ミラーと捻り回転軸とし
ての前記弾性部材とで決まる固有の共振周波数を調節す
る調節手段を有する光走査装置とする。
【0006】請求項2に記載の発明は、請求項1に記載
の光走査装置において、前記ミラーは、側面に可動電極
を有し、前記可動電極と対向する前記固定部材は、固定
電極を有し、前記調節手段により設定された共振周波数
に応じて、前記可動電極及び前記固定電極に印加する電
圧の周波数を可変する周波数可変手段を有する光走査装
置とする。請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の
光走査装置において、前記可動電極及び前記固定電極に
印加する電圧を調整する調整手段を有する光走査装置と
する。
【0007】請求項4に記載の発明は、光源と、光スキ
ャナを備える光走査装置であって、前記光スキャナは、
シリコンからなる第一の基板及び第二の基板と、該第一
の基板と該第二の基板との間に設けられる絶縁層と、第
一の基板に弾性部材を介して支持されたミラーとを有
し、前記弾性部材を捻り回転軸として前記ミラーを往復
振動させて光源からの照射光を偏向する光スキャナであ
り、 前記ミラーの側面に設けられる可動電極と、前記
可動電極と対向する前記第一の基板に設けられる固定電
極と、前記第一の基板に設けられる、固定電極と可動電
極を電気的に分離する分離溝と、前記ミラーと捻り回転
軸としての前記弾性部材とで決まる固有の共振周波数を
調節する調節手段と、前記調節手段により設定された共
振周波数に応じて、前記可動電極及び前記固定電極に印
加する電圧の周波数を可変する周波数可変手段と、前記
可動電極及び前記固定電極に印加する電圧を調整する調
整手段とを有する光走査装置とする。
【0008】請求項5に記載の発明は、請求項1ないし
4のいずれかに記載の光走査装置において、前記光スキ
ャナを複数配備し、各光スキャナが有するミラーの共振
周波数は、最大の共振周波数に一致させるよう調節手段
によって調節される光走査装置とする。請求項6に記載
の発明は、請求項1ないし5のいずれかに記載の光走査
装置と、該光走査装置により静電潜像を形成する感光体
と、該静電潜像をトナーにより顕像化する現像手段と、
トナー像を用紙に転写する転写手段とを有する画像形成
装置とする。
【0009】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面に基づいて説明する。図1は、本発明に係る光スキャ
ナの第一の実施形態を示す斜視図及び断面図である。シ
リコンからなるミラー基板7は、エッチングによる加工
で側面に捻りバネ等の弾性部材3を有するミラー1を支
持している。ミラー1端面には可動電極26が設けら
れ、可動電極26に対向する固定部材5には固定電極2
5が設けられている。更に、ミラー1端面と固定部材5
との間には、電極ギャップ11が形成されている。この
ようにして形成されたミラー基板7は、ガラスやセラミ
ックス等の絶縁材料からなるフレーム基板9上に接合さ
れている。更に、フレーム基板9上に接合されたミラー
基板7には、分離溝12が設けられる。分離溝12の加
工にはCOレーザー等が用いられる。分離溝12を設
けることにより、ミラー1と固定部材5とは電気的に分
離される。以上により、光スキャナ4が構成される。
尚、本実施の形態は、ミラー1を往復振動させる駆動源
として、静電気力を用いる場合について記載してある
が、他の駆動源、例えばPZT等の圧電体による分極
力、磁性体による電気・磁気力を用いるものであっても
よい。
【0010】次に、光スキャナ4の動作について説明す
る。ミラー1と固定部材5の間に、電圧を印加する。電
極ギャップ11に形成される静電場により、静電吸引力
が発生する。この力によりミラー1は、弾性部材3を回
転軸として回転運動を始める。このとき、印加電圧の周
波数が、弾性部材3とミラー1の慣性モーメントによっ
て決まる共振周波数と一致する時、振動は共振振動とな
り、ミラー1は大きな振れ角が得られる。
【0011】ここで、共振周波数f0は、先にも述べた
ように、ミラー慣性モーメントIと、2本の弾性部材に
よって決まるバネ定数Kθにより、以下の式1によって
求められる。 f0=1/2π√(Kθ/I) ・・・(式1) 式1において、例えば、慣性モーメントIが6.3×1
−5g・cm、バネ定数Kθが6076dyne-cm/radの
時、共振周波数f0は1.5kHzである。ここで、慣
性モーメントIを10%減少させると、共振周波数f0
は1.64kHzとなり、約150Hz共振周波数を高
くすることができる。本発明は、上記原理に基づき、光
走査装置にミラー1の共振周波数f0を調節し、振れ角
を一定にする調節手段を備えるものとする。
【0012】ミラー1の共振周波数を調節する調節手段
は、以下の通りである。図1において、17はCO
ーザー、16は照射位置を変えるミラーである。ミラー
1の慣性モーメントを減少させるために、ミラー1の端
面14を、ミラー1の裏面側からCOレーザー17に
よるレーザービーム15で照射し、照射部に発生するレ
ーザービーム15による熱で、端面14の微小質量を蒸
発させる。これにより、ミラー1の慣性モーメントを減
少させる。このように、ミラー1の裏面側の微小質量を
蒸発させることで、ミラー面に損傷を与えることもな
く、また、弾性部材3に余分な力を加えることもなく、
ミラー慣性モーメントを減少させることができる。
【0013】図2は、本発明に係る光スキャナの第二の
実施形態を示す斜視図である。ミラー1の端部には、ミ
ラー慣性モーメント調整用の切片20が設けられてい
る。切片20の厚さは、ミラー1の厚さより薄く設定さ
れている。これにより、切片20とミラー1との境界面
をCOレーザー17によるレーザービーム15で照射
すると、薄い切片20は急激に温度が上昇してミラー1
から割断する。ミラー1に与える熱の影響は、少なくす
ることができる。また、このときに減少するミラー慣性
モーメントの割合は、切片20の割断に相当する分とな
るため、共振周波数の定量的な調節が可能となる。
【0014】図3は、本発明に係る光スキャナの第三の
実施形態を示す斜視図である。ミラー1の端部には、ミ
ラー慣性モーメント調整用の櫛歯状の切片21が設けら
れている。切片21の歯の幅Wは、数100μmとす
る。これにより、切片21とミラー1との境界面をCO
レーザー17によるレーザービーム15で照射する
と、ミラー1に対して十分小さい切片21は急激に温度
が上昇してミラー1から割断する。ミラー1に与える熱
の影響は、少なくすることができる。また、このときに
減少するミラー慣性モーメントの割合は、切片21の割
断に相当する分となるため、共振周波数の定量的な調節
が可能となる。
【0015】また、本発明の光走査装置は、上記の共振
周波数の調節手段に加え、ミラー1と固定部材5の間に
印加される電圧の周波数を可変する周波数可変手段を有
する。図4は、本発明に係る光スキャナの第四の実施形
態を示す断面図である。ミラー1端面には可動電極26
が設けられ、可動電極26に対向する固定部材5には固
定電極25が設けられている。28はレーザー光源、2
9はミラー1により反射されたレーザービームである。
30は周波数可変手段を有する駆動装置である。上記の
共振周波数の調節手段によって調節されたミラー1の共
振周波数をf0とするとき、共振周波数f0と同じ印加
電圧の周波数を、周波数可変手段を有する駆動装置30
により調整して、ミラー1と固定部材5の間に印加す
る。すると、電極ギャップ11に静電場が形成され、静
電吸引力が発生する。この力により、ミラー1は弾性部
材3を回転軸として回転運動を始める。このとき、ミラ
ー1の共振周波数と印加電圧の周波数とが一致し、共振
振動となって、ミラー1の大きな振れ角θを得ることが
できる。
【0016】更に、本発明の光走査装置は、上記の共振
周波数の調節手段、及び電圧の周波数可変手段に加え
て、ミラー1と固定部材5の間に印加される電圧を調整
する調整手段を有する。図4の構成において、30は、
周波数可変手段に加え、電圧の調整手段を有する駆動装
置とする。共振周波数の調節手段によって調節されたミ
ラー1の共振周波数をf0′と同じ周波数の電圧を、駆
動装置30により調整してミラー1と固定部材5の間に
印加する。すると、電極ギャップ11には静電場が形成
され、静電吸引力が発生する。この力により、ミラー1
は弾性部材3を回転軸として回転運動を始める。このと
き、ミラー1は共振振動となる。
【0017】ここで、図5は、一定の周波数における印
加電圧とミラー1の振れ角との関係を示す図である。共
振周波数及び電圧の周波数が同じf0′であっても、ミ
ラー1と固定部材5の間に印加される電圧がV0とV1
とでは、ミラー1の振れ角θが異なる。これは、以下の
ようにして説明される。共振状態に於けるミラー1の振
れ角θは概略以下の式2によって与えられる。 θ=(Tq/I)・K ・・・(式2) 但し、Tqはミラー1に働く静電トルク、Iはミラー慣
性モーメント、Kは共振周波数で決まる定数である。ま
た、静電トルクTqは以下の式3で表される関係式が与
えられる。 Tq∝S・(V/g)・・・(式3) 但し、Sは電極間対向面積、Vは印加電圧、gは電極間
距離である。式2及び式3の関係より、印加電圧Vの値
によって、静電トルクTqが変化するため、ミラー1の
振れ角θが変化する。
【0018】従って、上記の原理を利用し、周波数がf
0′に調整された後であっても、印加電圧の調整を駆動
装置30により行い、所望のミラー1の振れ角θを得る
ことができる。例えば、ミラー1の共振周波数を電圧の
周波数と完全に一致させることができなかった場合、一
致させた場合に比べ、ミラー1の振れ角θは小さくなる
が、このとき、電圧調整手段により電圧を調整すること
によって、ミラー1の振れ角θを調整することが可能と
なる。
【0019】また、本発明の光走査装置は、マイクロマ
シニング技術を利用した微小ミラーを備えることができ
る。図6は、本発明に係る光スキャナの第五の実施形態
を示す斜視図及び断面図である。シリコンからなる第一
の基板35は、エッチングによる加工で側面に捻りバネ
等の弾性部材3を有するミラー1を支持する構成となっ
ている。また、シリコンの性質上、第一の基板は導電性
を有する。ミラー1の端部には、櫛歯状の共振周波数調
整用の切片21が設けられている。また、第二の基板3
6もシリコンからなる。第一の基板35と第二の基板3
6は、二酸化ケイ素等からなる絶縁層37を挟んで接合
されている。更に、第一の基板35には、分離溝12が
エッチング等により設けられている。これにより、ミラ
ー1と固定部材5とは電気的に分離される。また、図6
(b)において、駆動装置30は、印加電圧の周波数可
変手段、及び電圧の調整手段を有する駆動装置である。
【0020】共振周波数がf0に調整された状態で、周
波数f0の電圧をミラー1と固定部材5に印加すると、
ミラー1と固定部材5は導電性を有するため、ミラー1
は可動電極として、固定部材5は固定電極としてそれぞ
れ作用する。これにより、電極ギャップ11に静電場が
形成され、発生する静電吸引力により、ミラー1が共振
振動を示す。図7は、印加電圧Vとミラー1の振れ角θ
の関係を示す図である。駆動装置30により印加電圧V
を変化させると、図7に示すように振れ角θが変化す
る。印加電圧Vを調整することにより、ミラー1の所望
の振れ角θを得ることができる。また、シリコンを用い
たマイクロマシニング技術により、ミラー1や弾性部材
3の加工誤差が少なくできるため、周波数、印加電圧等
の調整範囲を小さくすることができる。
【0021】上記の光スキャナの構成において、ミラー
1の振れ角を大きくするために、ミラーの形状を以下の
ようにすることができる。図8は、本発明に係る光スキ
ャナの第六の実施形態を示す斜視図である。また、図9
は、ミラーの断面図である。ミラー1の形状は、肉抜き
された薄肉部42と、肉抜きされないリブ部43から構
成される。このように、ミラー1の形状を肉抜きしたこ
とにより、上述した式2における慣性モーメントIの値
は小さくなる。これにより、ミラー1の振れ角θを更に
大きくすることが出来る。
【0022】また、上記の光スキャナの構成において、
ミラー1の振れ角を大きくするために、ミラー1と固定
部材5に形成される電極の形状を以下のようにすること
ができる。図10は、本発明に係る光スキャナの第七の
実施形態を示す斜視図である。櫛歯形状をした可動電極
45がミラー1側面に設けられ、同じく櫛歯形状をした
固定電極46が固定部材5に設けられている。可動電極
45と固定電極46とは、互いに噛み合わせて対向する
構成となっている。このような構成により、前述した式
3における電極間対向面積Sの値を増加させることがで
きる。電極間対向面積Sが増加すると、静電トルクTq
の値が増加する。静電トルクTqの増加により、式2に
よって導き出されるミラー1の振れ角θが大きくなる。
【0023】本発明の光走査装置は、上記のいずれかの
構成をもつ光スキャナを複数配備した構成とすることが
できる。図11は、本発明に係る光走査装置の構成を示
す断面図である。ベース31上に、複数の光スキャナ4
を配備している。30は、駆動電圧を印加する駆動装置
である。また、28はレーザー光源、29はミラー1に
より反射されたレーザービームである。図12は、各光
スキャナ4の共振周波数f0を測定した結果を示す図で
ある。各光スキャナ4は、図12に示すようにそれぞれ
の共振周波数を有している。ここで、最も大きい共振周
波数をf04とすると、上述した共振周波数調節手段に
より、その他の光スキャナ4の共振周波数f01、f0
2、f03をf04と一致させるように調節する。これ
により、駆動装置30の駆動周波数が単一にできるた
め、駆動回路を簡易にすることができる。
【0024】更に、本発明の画像形成装置は、上記のい
ずれかの構成をもつ光走査装置を搭載したものとする。
図13は、本発明の画像形成装置の一実施形態であるレ
ーザープリンタの概略構成図である。画像形成装置とし
てのレーザープリンタ66は、上記のいずれかの構成を
もつ光走査装置60と、光走査装置60のミラー1によ
り偏向された反射レーザー光により静電潜像が形成され
る感光体65と、感光体65に形成された静電潜像をト
ナーにより現像する現像手段62と、感光体65上に形
成されたトナー像を被記録体に転写するための転写手段
63と、被記録体を画像形成部に供給するための被記録
体供給手段64と、被記録体上のトナー像を定着させる
ための定着手段67とを備える。図14は、光走査装置
60と感光体65を上から見た図である。光スキャナ4
が主走査方向に複数配置されている。レーザー光源28
は、画像信号生成装置(図示せず)による画像信号に基
づき発光する。レーザー光源28より照射されるレーサ
ービームは、光走査装置60に入射する。光走査装置6
0のミラー1により偏向された反射レーザー光29が、
感光体65上に静電潜像を形成する。
【0025】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によ
り、弾性部材を捻り回転軸としてミラーを往復振動させ
て光源からの照射光を偏向する光スキャナに、ミラーの
共振周波数の調節手段を設けたことで、部材の加工精度
のばらつきによって生じるミラーの共振周波数のばらつ
きを調節し、ミラーの振れ角を一定にする光スキャナを
有する光走査装置を提供することができる。また、上記
に加え、ミラー側面と、ミラー側面に対向する固定部材
とに設けられた電極間に印加される電圧の周波数可変手
段と、電圧の調整手段を設けたことにより、ミラーの共
振周波数と印加電圧の周波数とを一致させて共振振動と
し、ミラーの大きな振れ角を得ると共に、振れ角の微調
整も容易に行うことができる。更には、上記の光走査装
置を備え、隣接する光スキャナ間でミラーの振れ角にば
らつきを生じることなく、良好な画質の画像形成を行う
ことができる画像形成装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光スキャナの第一の実施形態を示
す斜視図及び断面図である。
【図2】本発明に係る光スキャナの第二の実施形態を示
す斜視図である。
【図3】本発明に係る光スキャナの第三の実施形態を示
す斜視図である。
【図4】本発明に係る光スキャナの第四の実施形態を示
す断面図である。
【図5】一定の周波数における印加電圧とミラーの振れ
角との関係を示す図である。
【図6】本発明に係る光スキャナの第五の実施形態を示
す斜視図及び断面図である。
【図7】印加電圧Vとミラー1の振れ角θの関係を示す
図である。
【図8】本発明に係る光スキャナの第六の実施形態を示
す斜視図である。
【図9】光スキャナの第六の実施形態におけるミラーの
断面図である。
【図10】本発明に係る光スキャナの第七の実施形態を
示す斜視図である。
【図11】本発明に係る光走査装置の構成を示す断面図
である。
【図12】各光スキャナ4の共振周波数f0を測定した
結果を示す図である。
【図13】本発明の画像形成装置の一実施形態であるレ
ーザープリンタの概略構成図である。
【図14】光走査装置と感光体を上から見た図である。
【図15】従来の光走査装置に用いられる光スキャナの
斜視図と断面図である。
【符号の説明】
1 ミラー 3 弾性部材 4 光スキャナ 5 固定部材 7 ミラー基板 9 フレーム基板 25 固定電極 26 可動電極 28 レーザー光源 29 レーザービーム 30 駆動装置 35 第一の基板 36 第二の基板 60 光走査装置 66 画像形成装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 林 善紀 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 (72)発明者 望月 栄二 東京都大田区中馬込1丁目3番6号 株式 会社リコー内 Fターム(参考) 2C362 BA17 BA18 BA42 2H043 CA08 CD02 CE00 2H045 AB06 AB10 AB16 AB38 AB43 AB62 AB73

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源と、光スキャナを備える光走査装置
    であって、 前記光スキャナは、フレーム基板と、固定部材と、ミラ
    ー基板に弾性部材を介して支持されたミラーとを有し、 前記弾性部材を捻り回転軸として前記ミラーを往復振動
    させて光源からの照射光を偏向する光スキャナであり、 前記ミラーと捻り回転軸としての前記弾性部材とで決ま
    る固有の共振周波数を調節する調節手段を有することを
    特徴とする光走査装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の光走査装置において、 前記ミラーは、側面に可動電極を有し、 前記可動電極と対向する前記固定部材は、固定電極を有
    し、 前記調節手段により設定された共振周波数に応じて、前
    記可動電極及び前記固定電極に印加する電圧の周波数を
    可変する周波数可変手段を有することを特徴とする光走
    査装置。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載の光走査装置において、 前記可動電極及び前記固定電極に印加する電圧を調整す
    る調整手段を有することを特徴とする光走査装置。
  4. 【請求項4】 光源と、光スキャナを備える光走査装置
    であって、 前記光スキャナは、シリコンからなる第一の基板及び第
    二の基板と、該第一の基板と該第二の基板との間に設け
    られる絶縁層と、第一の基板に弾性部材を介して支持さ
    れたミラーとを有し、 前記弾性部材を捻り回転軸として前記ミラーを往復振動
    させて光源からの照射光を偏向する光スキャナであり、 前記ミラーの側面に設けられる可動電極と、 前記可動電極と対向する前記第一の基板に設けられる固
    定電極と、 前記第一の基板に設けられる、固定電極と可動電極を電
    気的に分離する分離溝と、 前記ミラーと捻り回転軸としての前記弾性部材とで決ま
    る固有の共振周波数を調節する調節手段と、 前記調節手段により設定された共振周波数に応じて、前
    記可動電極及び前記固定電極に印加する電圧の周波数を
    可変する周波数可変手段と、 前記可動電極及び前記固定電極に印加する電圧を調整す
    る調整手段とを有することを特徴とする光走査装置。
  5. 【請求項5】 請求項1ないし4のいずれかに記載の光
    走査装置において、 前記光スキャナを複数配備し、 各光スキャナが有するミラーの共振周波数は、最大の共
    振周波数に一致させるよう調節手段によって調節される
    ことを特徴とする光走査装置。
  6. 【請求項6】 請求項1ないし5のいずれかに記載の光
    走査装置と、 該光走査装置により静電潜像を形成する感光体と、 該静電潜像をトナーにより顕像化する現像手段と、 トナー像を用紙に転写する転写手段とを有することを特
    徴とする画像形成装置。
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