JP2005250077A - 光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の固有振動モードと駆動周波数が完全に一致しない場合、Ｑ値低減が困難である。
【解決手段】 可動子の少なくとも一つが空気抵抗を増大するダンパー構造を反射面ではない部位に有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は光走査光学系及びそれを用いた画像形成装置に関し、特に光偏向器を用いることにより、小型で簡易な構成であるにも拘わらずスポット径が均一であり、かつ高画質化に対応できる、例えば電子写真プロセスを有するレーザービームプリンタやデジタル複写機やマルチファンクションプリンタ（多機能プリンタ）等の画像形成装置に好適なものである。

従来から光偏向器として正弦振動を行う光偏向器を使用した光走査系（及び光走査装置）が種々と提案されている。光偏向器として正弦振動を行う光偏向器を使用した光走査系は、ポリゴンミラー等の回転多面鏡を使用した光走査光学系に比べて、光偏向器を大幅に小型化することが可能であること、消費電力が少ないこと、特に半導体プロセスによって製造されるＳｉ単結晶からなる光偏向器は理論上金属疲労が無く耐久性にも優れていること、等の特徴がある。

一方、正弦振動を行う光偏向器によって反射偏向された光は、回転多面鏡を使用した光偏向器による場合に比べ、偏向走査の角速度が一定とならず余弦的に変化する。特に偏向走査の両端に向かうにつれ偏向走査の角速度は減少するため、被走査面上で等速走査が必要な応用には、結像光学系（結像レンズ）としてａｒｃｓｉｎレンズを用いることが多い。ａｒｃｓｉｎレンズを用いる場合、走査中心に対して走査端部の主走査方向のＦナンバーが変化してしまうという特性があり、走査中心と走査端部の被走査面上におけるスポット径が不均一になってしまう。

以上のような課題を改善するため、特許文献１が提案された。図５は、特許文献１に開示された光偏向器を示す概略図である。光偏向器は、可動子１４、１６とそれらを連結して弾性支持するねじりばね１８、可動子１６と機械的な接地面２４を弾性支持するねじりばね２０で構成されている。これら全ての要素は、ねじり軸２６を中心として駆動手段２３によりねじり振動する。また、可動子１４は、光を偏向するための反射面を有しており、可動子１０１４のねじり振動によって、光源からの光を偏向走査する。この光偏向器は、ねじり軸２６を中心としたねじり振動について、基準周波数となる１次の固有振動モードと基準周波数の略３倍の周波数となる２次の固有振動モードを有している。駆動手段２３は、この１次の固有振動モードの周波数とこれに対して同位相で３倍の周波数の２つの周波数で光偏向器を駆動する。したがって、光偏向器は、１次の固有振動モードに加えて、２次の固有振動モードで同時にねじり振動しているため、可動子１４で反射された光の偏向走査の変位角は、この２つの振動モードの重ね合わせとなり、正弦波ではなく略三角波状に変化する。したがって、偏向走査の角速度は、変位角が正弦波であったときと比べ、略等角速度となる領域が広く存在するため、偏向走査の全域に対する利用可能な領域を大きくすることができる。
米国特許第４８５９８４６号公報

光の偏向走査の変位角を２つの振動モードの重ね合わせで駆動するためには、１次の固有振動モードに加えて、２次の固有振動モードで同時にねじり振動させる必要がある。しかしながら、Ｑ値（共振感度）が高く、形状のばらつきなどにより光偏向器の複数の固有振動モードと駆動周波数が完全に一致していない場合、２つの振動モードの重ね合わせで駆動することができない。従って、レーザービームプリンタやデジタル複写機やマルチファンクションプリンタ等の画像形成装置に使用する場合においては、略等角速度光走査を行うことができない。

本発明は上記観点に鑑みなされたものであり、その目的は、作製時の形状ばらつきや温度変化などの環境変化時に、光偏向器の複数の固有振動モードと駆動周波数が完全に一致していなくても、２つの振動モードの重ね合わせで駆動することができるように、固有振動モードのＱ値を低減させることである。

本発明は上記目的を達成するため、以下の（１）〜（５）に記載の光偏向器を提供するものである。
（１）複数の可動子と、
少なくともいずれかの該可動子に形成される反射面と、
前記複数の可動子を直列に連結する一直線上に配置された、
複数のねじりばねと、
該複数のねじりばねの一部を支持する支持体と、
少なくともいずれかの前記可動子にトルクを印加する駆動手段と、
からなる光偏向器であって、
前記可動子の少なくとも一つが、
空気抵抗を増大するダンパー構造を、
前記反射面ではない部位に有することを、
特徴とする光偏向器。
（２）前記ダンパー構造が、
前記ねじりばねのねじり軸に直交する方向の、
前記可動子の両端部に形成されたことを、
特徴とする上記記載の光偏向器。
（３）前記複数の可動子の一つは、
前記複数のねじりばねの２本で前記支持体に支持されることを、
特徴とする上記記載の光偏向器。
（４）前記ダンパー構造のねじり軸に対する慣性モーメントが、
前記ダンパー構造が形成された前記可動子の慣性モーメントの、
５％以下であることを、
特徴とする上記記載の光偏向器。
（５）光源と、
上記記載の光偏向器とを具備することを、
特徴とする画像形成装置。

本発明の光偏向器により、ダンパー構造を有することで、Ｑ値を低下させ、形状のばらつきなどにより、光偏向器の複数の固有振動モードと駆動周波数が完全に一致しない場合でも、２つの振動モードの重ね合わせで駆動することができる。

また、ダンパー構造がねじりばねのねじり軸に直交する方向の可動子の両端部に形成されることによって、空気へのエネルギー損失がより大きくなるので、Ｑ値をより低減することができる。

また、複数の可動子の一つは、複数のねじりばねの２本で支持体に支持されることによって、曲げ剛性を高め、不要なたわみモードの動きを抑制することができる。さらに、光偏向器の耐衝撃性を向上することができる。

また、ダンパー構造のねじり軸に対する慣性モーメントをダンパー構造が形成された可動子の慣性モーメントの５％以下としたことによって、光偏向器の固有振動モードの変化を約２．５％程度に抑えることができる。

また、Ｑ値を低下させるダンパー構造を有する光偏向器を画像形成装置に用いることによって、形状のばらつきなどにより、駆動周波数と固有振動モードが完全に一致していなくても、固有振動モードの近傍の駆動周波数で、光偏向器を駆動することができるので、略等角速度光走査を行うことができ、レーザービームプリンタやデジタル複写機やマルチファンクションプリンタ等の画像形成装置に使用する場合において、画像形成時のスポット形状を安定化させることができる。

本発明の実施の形態について説明する。

上記（１）の構成の光偏向器は、複数の可動子を形成し、複数の可動子は複数のねじりばねで一直線上に連結され、支持体でねじりばねの一部を固定する。複数の可動子、複数のねじりばね、支持体は、マイクロマシン技術でシリコン基板などに一体形成することができる。そして、可動子の一方面側に光の反射率の高いアルミニウムや誘電体多層膜などの物質をコーティングして反射面を形成し、可動子にトルクを印加することによって支持体に対して可動子を相対的に駆動させて、反射面に入射する入射光を偏向することができる。可動子にトルクを印加する方法は、電磁駆動、圧電駆動、静電駆動などでよい。この構成の光偏向器は、複数のねじり固有振動モードを有している。本発明の特徴は、複数の可動子がねじり振動する時の空気抵抗を増大させるためのダンパー構造を有することである。ダンパー構造は、反射面の平面度を維持するために可動子の反射面ではない箇所に設け、ダンパー構造は可動子の外周に凸部を形成するなどして面積を大きくし、空気抵抗を上げることで形成できる。ねじり軸に対する慣性モーメントを小さくするために、このダンパー構造に穴部を形成してもよい。このダンパー構造も、マイクロマシン技術で可動子と一体形成することが可能である。ダンパー構造は、全ての可動子に形成してもよいし、複数の可動子のうち少なくとも一つに形成してもよい。このダンパー構造を有することで、固有振動モードのＱ値を低下させ、形状のばらつきや温度変化などの環境変化時などにより、光偏向器の複数の固有振動モードと駆動周波数が完全に一致しない場合でも、２つの振動モードの重ね合わせで駆動することができる。

また、上記（２）の特徴は、ダンパー構造がねじりばねのねじり軸に直交する方向の可動子の両端部に形成されたことである。ねじり軸に対して離れた箇所にダンパー構造を形成することによって、空気へのエネルギー損失がより大きくなるので、固有振動モードのＱ値をより低減することができる。

また、上記（３）の特徴は、複数の可動子の少なくとも一つは、複数のねじりばねの２本で支持体に支持されることである。これによって、曲げ剛性を高め、不要なたわみモードの動きを抑制することができる。さらに、光偏向器の耐衝撃性を向上することができる。

また、上記（４）の特徴は、ダンパー構造のねじり軸に対する慣性モーメントをダンパー構造が形成された可動子の慣性モーメントの５％以下としたことである。これによって、光偏向器の固有振動モードの変化を約２．５％程度に抑えることができ、走査幅の変動を小さく抑えることができる。

また、上記（５）の特徴は、Ｑ値を低下させるダンパー構造を有する光偏向器を画像形成装置に用いることである。これによって、形状のばらつきや温度変化などの環境変化時に光偏向器の複数の固有振動モードと駆動周波数が完全に一致していなくても、２つの振動モードの重ね合わせで駆動することができるので、レーザービームプリンタやデジタル複写機やマルチファンクションプリンタ等の画像形成装置に使用する場合においては、略等角速度光走査を行うことができ、画像形成時のスポット形状を安定化させることができる。

図１は、本発明の実施例１の光偏向器を説明する概略図である。実施例１の光偏向器において、可動子１００、１０１が形成され、可動子１００は第一ねじりばね１０２で可動子１０１に連結される。可動子１０１は第二ねじりばね１０３で支持体１０４に連結される。可動子１００、１０１、第一ねじりばね１０２、第二ねじりばね１０３、支持体１０４は、マイクロマシニング技術でシリコン基板などに一体形成することができる。可動子１００の一方面側には、表面に光の反射率の高いアルミニウムや誘電体多層膜などの物質をコーティングして反射面１０５を形成する。また、可動子１０１の一方面側には、メッキ等により硬磁性体が成膜されている。硬磁性体はねじり軸に対して垂直方向に磁化されている。コイル１０６に電流を印加することによって、コイル１０６から磁場が発生する。発生した磁場により可動子１０１の硬磁性体にはトルクが作用し、光偏向器を駆動することができる。

本発明の特徴は、可動子１００の反射面１０５ではない箇所にダンパー構造１０７を形成したことである。可動子１００の厚みは２００μｍであり、ダンパー構造１０７は、１０μｍとした。これによって、可動子１００がねじり振動するときの空気抵抗が増大し、光偏向器の固有振動モードのＱ値が低減される。従って、光偏向器の固有振動モードと駆動周波数が完全に一致していなくても、固有振動モードの近傍の駆動周波数で駆動でき、光偏向器を２つの周波数の重ね合わせで駆動することができる。

図２は、本発明の実施例２の光偏向器を説明する斜視図である。実施例２の光偏向器において、平板形状可動子２００、輪形状可動子２０１が形成され、平板形状可動子２００は第一ねじりばね２０２ａ、２０２ｂで輪形状可動子２０１に連結される。輪形状可動子２０１は第二ねじりばね２０３ａ、２０３ｂで支持体２０４に連結される。平板形状可動子２００、輪形状可動子２０１、第一ねじりばね２０２ａ、２０２ｂ、第二ねじりばね２０３ａ、２０３ｂ、支持体２０４は、マイクロマシニング技術でシリコン基板から一体形成できる。平板形状可動子２００の一方面側には、表面に光の反射率の高いアルミニウムや誘電体多層膜などの物質をコーティングして反射面２０５を形成する。また、平板形状可動子２００の他方面側には、メッキ等により硬磁性体が成膜されている。硬磁性体はねじり軸に対して垂直方向に磁化されている。コイル２５０に電流を印加することによって、コイル２５０から磁場が発生する。発生した磁場により平板形状可動子２００の硬磁性体にはトルクが作用し、光偏向器を駆動することができる。

本発明の特徴は、輪形状可動子２０１を第二ねじりばね２０３ａ、２０３ｂの二本で支持体２０４の２箇所に連結し、ダンパー構造２０６を可動子２０１より薄くしてねじりばねのねじり軸に直交する方向の可動子２０１の両端部に形成したことである。輪形状可動子２０１を第二ねじりばね２０３ａ、２０３ｂの二本で支持体２０４に連結してことで、曲げ剛性を高め、不要なたわみモードの動きを抑制することができる。さらに、ダンパー構造２０６を可動子２０１より薄くし、ねじりばねのねじり軸に直交する方向の可動子２０１の両端部に形成したことによって、慣性モーメントの増大を最小限にしてダンパー効果を大きくでき、Ｑ値を抑えることができる。従って、形状のばらつきなどにより、駆動周波数と固有振動モードが完全に一致していなくても、固有振動モードの近傍の駆動周波数で、光偏向器を駆動することができる。

図３は、本発明の実施例３の画像形成装置を説明する図である。光源３０１から出射したレーザ光３０２は、出射光学系３０３で整形され、本発明の光偏向器３０４で走査される。結像光学系３０５は走査されたレーザ光を感光ドラム３０６上に結像させスポットを形成する。走査されたスポットは、走査軌跡３０７に沿って移動する。

本発明の光偏向器は、２つ以上の分離した複数のねじり固有振動モードを有しており、形状のばらつきなどにより、駆動周波数と固有振動モードが完全に一致していなくても、固有振動モードのＱ値が低いことによって、固有振動モードの近傍の駆動周波数で光偏向器を駆動することができる。

従って、本実施例の画像形成装置に本発明の光偏向器を用いることによって、光の偏向走査の変位角を２つの振動モードを重ね合わせで駆動し、略等角速度光走査が可能となる。よって、レーザービームプリンタやデジタル複写機やマルチファンクションプリンタ等の画像形成装置に使用する場合において、画像形成時のスポット形状のばらつきを抑えることができる。

本発明の実施例１の光偏向器を説明する概略図である。 本発明の実施例２の光偏向器を説明する斜視図である。 本発明の実施例３の光偏向器を説明する斜視図である。 従来技術の光偏向器を説明する概略図である。

符号の説明

１４、１６ 可動子
１８、２０ ねじりばね
２２ 回転子
２３ 固定子
２４ 支持体
２６ ねじり軸
１００、１０１ 可動子
１０２ 第一ねじりばね
１０３ 第二ねじりばね
１０４ 支持体
１０５ 反射面
１０６ コイル
１０７ ダンパー構造
２００ 平板形状可動子
２０１ 輪形状可動子
２０２ａ、２０２ｂ 第一ねじりばね
２０３ａ、２０３ｂ 第二ねじりばね
２０４ 支持体
２０５ 反射面
２０６ ダンパー構造
２５０ コイル
３０１ 半導体レーザ
３０２ レーザ光
３０３ 出射光学系
３０４ 光偏向器
３０５ 結像光学系
３０６ 感光ドラム
３０７ 走査軌跡

Claims (5)

1. 複数の可動子と、
   少なくともいずれかの該可動子に形成される反射面と、
   前記複数の可動子を直列に連結する一直線上に配置された、
   複数のねじりばねと、
   該複数のねじりばねの一部を支持する支持体と、
   少なくともいずれかの前記可動子にトルクを印加する駆動手段と、
   からなる光偏向器であって、
   前記可動子の少なくとも一つが、
   空気抵抗を増大するダンパー構造を、
   前記反射面ではない部位に有することを、
   特徴とする光偏向器。
2. 前記ダンパー構造が、
   前記ねじりばねのねじり軸に直交する方向の、
   前記可動子の両端部に形成されたことを、
   特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
3. 前記複数の可動子の一つは、
   前記複数のねじりばねの２本で前記支持体に支持されることを、
   特徴とする請求項１、２に記載の光偏向器。
4. 前記ダンパー構造のねじり軸に対する慣性モーメントが、
   前記ダンパー構造が形成された前記可動子の慣性モーメントの、
   ５％以下であることを、
   特徴とする請求項１〜３に記載の光偏向器。
5. 光源と、
   請求項１〜４に記載の光偏向器とを具備することを、
   特徴とする画像形成装置。

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