JP2006141081A

JP2006141081A - 圧電アクチュエータおよびこれを用いた光線掃引装置

Info

Publication number: JP2006141081A
Application number: JP2004326187A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Hayama; 雅昭葉山; Koji Nomura; 幸治野村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2024-11-10
Also published as: JP4682589B2

Abstract

【課題】本発明は圧電駆動型のアクチュエータおよびこれを用いた光線掃引装置に関し、光線掃引装置を小型化することを目的とする。
【解決手段】光源１から発せられた光線２を掃引させる圧電アクチュエータ６を、支持体７と、一端がこの支持体７に支持された第１のアーム８と、この第１のアーム８の他端に支持されるとともに第１のアーム８の一端から他端に至る延出方向とは逆向きに延出された第２のアーム９と、第１のアーム８に圧電薄膜１１からなる圧電駆動電極１０を設けた構成としたのである。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧電駆動型のアクチュエータおよびこれを用いた光線掃引装置に関するものである。

従来、レーザープリンタなどに用いられるレーザーから発せられた光線を掃引する光線掃引装置としては、多角形状の回転体の側面にミラーを設けたポリゴンミラーが用いられ、このポリゴンミラーを回転させることにより感光体ドラムの走査面上にレーザー光線を掃引させていた。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平１１−２８１９０８号公報

そして、近年カラーレーザープリンタの普及やプリンタの小型化に伴い、光線掃引装置の小型化が命題となっている。

しかしながら、ポリゴンミラーを用いた光線掃引装置においては、ポリゴンミラーを小型化することに加え、このポリゴンミラーを駆動させる駆動装置が別途必要となるためその小型化が非常に困難なものとなっていた。

そこで、本発明はこのような問題を解決し光線掃引装置を小型化することを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明は、光源から発せられた光線を掃引させるアクチュエータを、支持体と、一端がこの支持体に支持された第１のアームと、この第１のアームの他端に支持されるとともに第１のアームの一端から他端に至る延出方向とは逆向きに延出された第２のアームと、第１のアームに圧電薄膜からなる駆動電極を設けた構成としたのである。

このような構成とすることで、光線を掃引させる為のアクチュエータを小型化でき、ひいてはこのアクチュエータを用いた光線掃引装置を小型化できるのである。

以下、本発明の一実施形態について図を用いて説明する。

図１はレーザービームプリンタの感光ユニットを模式的に表したものであり、光源となるレーザー１と、このレーザー１から発せられたレーザー光線２が照射される感光ドラム３と、レーザー光線２を反射させるとともにその反射方向を可変させることでレーザー光線２を感光ドラム３の走査面上を掃引させる光線掃引装置４により形成されている。

そして、この感光ユニットに用いられる光線掃引装置４におけるミラー５を駆動させる圧電アクチュエータ６は図２に示されるように、基本的にシリコン基板をベースとしたもので、外部取り付け用に設けられた支持体７から一方向に延出された第１のアーム８と、この第１のアーム８の先端部分から支持体７側に向けて延出された第２のアーム９がシリコン基板で一体に形成されており、第１のアーム８の支持体７側の表面に圧電駆動電極１０が設けられた構成となっている。

また、この圧電駆動電極１０の構成は、図３に示されるようにチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）により形成された圧電薄膜１１を上部電極１２と下部電極１３により挟み込んだ構成であり、これらの上部電極１２、下部電極１３および圧電薄膜１１は第１のアーム８を形成するシリコン基板上に順次スパッタリングにより形成されるものである。

また、図２に示される第２のアーム９の開放端側に設けられているミラー５は金やアルミの層として形成されるもので、この層も圧電駆動電極１０と同様にスパッタリングにより形成されるものである。

そして、この圧電アクチュエータ６は図３に示される上部電極１２と下部電極１３との間に駆動電圧を印加することにより圧電駆動電極１０が上下方向に撓むため、この撓みにより第１のアーム８及び第２のアーム９が上下方向に撓むことになり、この第２のアーム９の撓みによりその表面に形成されたミラー５の角度が変化することが出来るものである。

具体的には図４に示されるように、先ず第１のアーム８が圧電駆動電極１０により機械的に下方に撓ませた場合、第１のアーム８の先端部分に支持されている第２のアーム９の支持部１４が矢印１５で示すように下方に移動することになるが、第２のアーム９は先端側の慣性モーメントにより矢印１６で示すように上方に撓むこととなる。次に第１のアーム８を圧電駆動電極１０により機械的に上方に撓ませた場合、第１のアーム８の先端に支持されている第２のアーム９の支持部１４が矢印１７で示すように上方に移動することになるが、第２のアーム９は先端側の慣性モーメントにより矢印１８で示すように下方に撓むこととなる。

この構成によれば、ミラー５の傾斜角の可変幅が第１のアーム８の撓み角と第２のアーム９の撓み角との合成により形成されるため、圧電アクチュエータ６として大きな可変幅を確保することができ、圧電アクチュエータ６を小型のものと出来る構造となっている。

また、図２に示されるように長さの違う第１、第２のアーム８，９を一体的に振動させる場合、第１のアーム８と第２のアーム９における自己共振周波数が異なるため、この圧電アクチュエータ６の周波数特性は図５に示されるように、２つの共振周波数１９，２０間に比較的周波数特性が平坦となる領域２１が形成されることとなる。

そこで、この２つの共振周波数１９，２０間の比較的周波数特性が平坦となる領域２１において圧電駆動電極１０の駆動周波数を設定することで、周波数変動に対して撓み特性の変化が生じにくい安定した圧電アクチュエータ６を形成できるのである。

すなわち、圧電アクチュエータ６を駆動するにあたりその撓み量を大きくしようとした場合、通常、圧電駆動電極１０の駆動周波数を第１、第２のアーム８，９の自己共振周波数１９，２０のいずれか、例えば自己共振特性が大きい第２のアーム９の自己共振周波数２０に合わせることにより、圧電アクチュエータ６として大きな撓みを発生することが出来るのであるが、この自己共振周波数２０の領域においては周波数変動に対する撓み量の変化が大きくなることから、この撓み量を安定化させるには圧電駆動電極１０に対する駆動周波数を非常に厳格に制御しなければならず、また、経時変化に伴う自己共振周波数２０の変動により製品寿命が短命なものとなってしまうが、先に述べたように周波数特性の安定した領域２１に圧電駆動電極１０の駆動周波数を確保することで、そのような問題が解決できるのである。

なお、圧電駆動電極１０の駆動周波数を第１のアーム８の自己共振周波数１９と第２のアーム９の自己共振周波数２０との間に設定することで、撓み量が周波数特性のピークの時のものと比べて減少するが、撓み量の減少を抑制するにあたっては破線に示されるように第１、第２のアーム８，９の自己共振周波数１９，２０を近づけることで、２つの自己共振周波数１９，２０間における周波数特性の安定した領域２１の撓み量が見かけ上底上げされ、圧電アクチュエータ６の撓み量の減少を抑制することが出来るのである。

また、この圧電アクチュエータ６を用いて光線掃引装置４を形成する場合、第２のアーム９の撓み量が重要となるのであるが、レーザー１から発せられたレーザー光線２をミラー５で反射させながらその反射角を可変させることで感光ドラム３の走査線上に正確に掃引させなければならず、第２のアーム９のミラー５が設けられる領域が撓むことは好ましくなく、この領域における撓みを抑制するため図３に示されるように、ミラー５が設けられる領域での第２のアーム９の厚みを大きくし基板強度を上げることが望ましい。

さらに第１のアーム８の先端部分、つまり第２のアーム９の支持部１４となる領域においても同様に厚みを大きくし基板強度を上げることが望ましい。

なお、このような圧電アクチュエータ６において撓み量を大きくするには、第２のアーム９の支持部１４側に対して、さらに、破線で示す圧電駆動電極２２を設けることでその駆動力が上乗せされて撓み量を大きくすることが出来るのである。ただし、第１のアーム８と第２のアーム９は図４で示したようにその撓み方向が逆向きとなることから、第１のアーム８に設けられた圧電駆動電極１０と第２のアーム９に設けられた圧電駆動電極２２はそれぞれ駆動電圧が反転するように制御するものである。

本発明は、圧電駆動型のアクチュエータおよびこれを用いた光線掃引装置に関して小型化できるという効果を有し、特にレーザープリンタ用途に有用である。

本発明の一実施形態における感光体ユニットの模式図同感光体ユニットに用いられる圧電アクチュエータの上面図同圧電アクチュエータに用いられる圧電駆動電極の断面図同圧電アクチュエータの動作状態を示す模式図同圧電アクチュエータの周波数特性図

符号の説明

１光源（レーザー）
２光線（レーザー光線）
４光線掃引装置
５ミラー
６圧電アクチュエータ
７支持体
８第１のアーム
９第２のアーム
１０圧電駆動電極
１１圧電薄膜

Claims

支持体と、一端がこの支持体に支持された第１のアームと、この第１のアームの他端部分に支持されるとともに前記第１のアームの一端から他端に至る延出方向とは逆向きに延出された第２のアームとを備え、前記第１のアームに圧電薄膜からなる圧電駆動電極を設け、この圧電駆動電極の駆動周波数を前記第１のアームの自己共振周波数と前記第２のアームの自己共振周波数との間に設定したことを特徴とする圧電アクチュエータ。
第１のアームにおける第２のアームの接続部分の厚みを前記第２のアームの厚みより大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
光源から発せられた光線をミラーに照射し、前記ミラーを駆動させることにより反射光線を掃引させる光線掃引装置において、前記ミラーを駆動させるアクチュエータは、支持体と、一端がこの支持体に支持された第１のアームと、この第１のアームの他端に支持されるとともに前記第１のアームの一端から他端に至る延出方向とは逆向きに延出された第２のアームと、前記第１のアームに設けられた圧電薄膜からなる圧電駆動電極とから形成し、この圧電駆動電極の駆動周波数を前記第１のアームの自己共振周波数と前記第２のアームの自己共振周波数との間に設定し、前記ミラーを前記第２のアームにおける他端側の表面に設けたことを特徴とする光線掃引装置。
第１のアームにおける第２のアームの接続部分の厚みを前記第２のアームの厚みより大きくしたことを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
第２のアームにおいてミラーが設けられた領域の厚みを他の部分の厚みより大きくしたことを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。