JP2006243251A

JP2006243251A - 光偏向器

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Publication number: JP2006243251A
Application number: JP2005057491A
Authority: JP
Inventors: Takahisa Kato; 貴久加藤; Yukio Furukawa; 幸生古川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2006-09-14
Anticipated expiration: 2025-03-02
Also published as: US7310176B2; EP1708004B1; US20060198006A1; DE602006003114D1; EP1708004A1; JP4574396B2; KR20060096308A; CN100388049C; CN1828358A; KR100742882B1

Abstract

【課題】反射面の平坦性を維持し、光偏向器が実装されている実装部材から光偏向器の特性（反射面の平坦性、共振周波数、機械的な振動増幅比、破損）への影響を低減する構造を提案する。
【解決手段】支持体は、前記第１揺動可動子と、１本の支持体ねじりバネのみで支持体ねじり軸を中心に、ねじり振動自在に弾性支持されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光偏向器及びそれを用いた画像形成装置に関する。例えば、光の偏向走査によって画像を投影するプロジェクションディスプレイや、電子写真プロセスを有するレーザービームプリンタ、デジタル複写機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反射面を正弦振動させ光を偏向する光走査系（及び光走査装置）が種々と提案されている。光偏向器として共振現象を利用して、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。

更に、共振現象を利用した光偏向器の中で、２つ以上の回転振動方向の共振モードを同時に励起させて、以下のような光走査を行う技術がある。このような第１の技術は、回転振動の中心軸が直交する２つの共振モードを同時に励起させて、２次元偏向を実現するジンバル型光偏向器である。第２の技術は、同一中心軸まわりの２つ以上の共振モードを同時に励起させて、三角波様の略等角速度走査を行う光偏向器である。

図１１は、ジンバル型光偏向器の典型例を説明する概略図である。外側可動子４０２３は、第１のねじりバネ４０２４によって支持体４０２５と第１のねじり軸４０１７まわりにねじり振動可能に連結されている。一方、可動子４０２１は、第２のねじりバネ４０２２によって、外側可動子４０２３と第２のねじり軸４０１８まわりにねじり振動可能に連結されている。可動子４０２１には、例えば反射面のような光を偏向する光偏向体（不図示）が設置されている。したがって、外側可動子４０２３、可動子４０２１が、駆動手段４０１６によってそれぞれ第１のねじり軸４０１７、第２のねじり軸４０１８まわりにねじり振動することにより光源からの光を２次元に偏向走査することができる。ここで、駆動手段４０１６は例えば、可動子４０２１、外側可動子４０２３に設けられた永久磁石とそれぞれの永久磁石を駆動するための固定コイルとすることなどで実現できる。特に、光偏向器の形状や材質で決定されるねじり軸まわりの固有振動モードの周波数で、光偏向器を駆動すると小さなエネルギーで大きな変位が得られるため好適である。

このようなジンバル型光偏向器は、２次元の偏向走査を単一の光偏向器で行うため、小型で光学調整などが簡単な２次元走査系を実現しうる可能性がある。そしてこのようなジンバル型光偏向器を記載する文献として特許文献１乃至３がある。

図１０は、２つの共振モードを同時に励起させて、三角波様の略等角速度走査を行う光偏向器を説明する概略図である。

光偏向器１０１２は、第１可動子１０１４、第２可動子１０１６とそれらを連結して弾性支持する第１ねじりバネ１０１８、第２可動子１０１６と機械的な接地面１０２４を弾性支持する第２ねじりバネ１０２０で構成されている。これら全ての要素は、ねじり軸１０２６を中心として駆動手段１０２３によりねじり振動する。また、第１可動子１０１４は、光を偏向するための反射面を有しており、第１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。光偏向器１０１２は、ねじり軸１０２６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１０２３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１０１２を駆動する。したがって、光偏向器１０１２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、第１可動子１０１４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。

そしてこのような光偏向器について記載している文献として特許文献４乃至５を挙げることが出来る。
米国特許６０４４７０５号特開平７―２７９８９号公報特開２００３−２９５１０２号公報米国特許第４８５９８４６号米国特許第５０４７６３０号

本発明では、光走査を行う光偏向器で、反射面の平坦性を維持し、光偏向器が実装されている実装部材から光偏向器の特性（反射面の平坦性、共振周波数、機械的な振動増幅比、破損）への影響を低減する構造を提案する。

本発明の目的は、光源からの光を偏向走査する光偏向器であって、該光偏向器は、支持体と振動系と該振動系を駆動する駆動手段とで構成され、該振動系は、第１揺動可動子と、光偏向体を有する第２揺動可動子とを有し、該第２揺動可動子は、前記第２揺動可動子を挟んで対向した複数のねじりバネで、振動系ねじり軸を中心に、ねじり振動自在に、第１揺動可動子と弾性支持され、前記支持体は、前記第１揺動可動子と、１本の支持体ねじりバネのみで支持体ねじり軸を中心に、ねじり振動自在に弾性支持されていることを特徴とする光偏向器により達成される。

本発明によって、光走査を行う光偏向器で、反射面の平坦性を維持し、光偏向器が実装されている実装部材から光偏向器の特性（反射面の平坦性、共振周波数、機械的な振動増幅比、破損）への影響を低減する構造を実現することができる。

以下本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１（ａ）（ｂ）は本発明の光偏向器の第１の実施の形態を示す上面図である。図１（ａ）に示すように、本実施例の光偏向器は、第２揺動可動子１１、第１揺動可動子１３とそれらを連結して弾性支持する振動系ねじりバネ１２、第１揺動可動子１３と機械的な接地部である支持体１５を弾性支持する支持体ねじりバネ１４で構成されている。また、支持体１５は、実装部材１５０に固定されている。第２揺動可動子１１、第１揺動可動子１３、振動系ねじりバネ１２（本実施の形態ではこの３要素を総称して以下、単に振動系１６０と呼ぶ）は、ねじり軸１７を中心として以下に説明する駆動手段によりねじり振動する。図１（ｂ）には振動系１６０と支持体１５の下に位置するこの駆動手段を図示している。駆動手段は、第１揺動可動子１３に固定されている永久磁石１５１と実装部材１５０に固定されている固定コイル１５２によって構成されている。また、第２揺動可動子１１は、光を偏向するための光偏向子として、図示しない反射面を有しており、第１揺動可動子１１のねじり振動によって、光源からの光を偏向走査する。

特に本実施の形態では、第２揺動可動子１１は、２本の振動系ねじりバネ１２によって両持ち支持されている。一方、第１揺動可動子１３は、１本の支持体ねじりバネ１４によって片持ち支持されている。従って、振動系は、支持体１５に対して片持ち梁状に構成されている。また、図２は図１（ｂ）のＡ−Ａ線での断面図であるが、図示のように、支持体１５は、実装部材１５０に固定されており、実装部材１５０は、振動系・永久磁石１５１と固定コイル１５２の位置を適切に保持している。

次に、本実施の形態の光偏向器の駆動原理を説明する。光偏向器は、ねじり軸１７を中心としたねじり振動について、基準周波数となる周波数ｆ_０の１次の固有振動モードと基準周波数の２倍の周波数となる２次の固有振動モードを有している２自由度振動系として扱うことができる。固定コイル１５２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２倍の周波数の２つの周波数で光偏向器を駆動する。

図３は、横軸を時間ｔとして、第２揺動可動子１１の周波数ｆ_０のねじり振動の変位角を説明する図である。図は、特に第２揺動可動子１１のねじり振動の１周期Ｔ_０に相当する部分を示している（−Ｔ_０／２＜Ｘ＜Ｔ_０／２）。

曲線６１は、固定コイル１５２を駆動する駆動信号のうち、基準周波数ｆ_０の成分を示しており、最大振幅±Φ_１の範囲で往復振動し、時間ｔ、角周波数ｗ_０＝２πｆ_０として、
θ_１＝Φ_１ sin［ｗ_０ｔ］（式１）
であらわされる正弦振動である。

一方、曲線６２は、基準周波数ｆ_０の２倍の周波数成分を示しており、最大振幅±Φ_２の範囲で振動し、
θ_２＝Φ_２ sin［２ｗ_０ｔ］（式２）
なる正弦振動である。

曲線６３は、このような駆動の結果生じる第２揺動可動子１１のねじり振動の変位角を示している。光偏向器は、前述のようにねじり振動について、２自由度振動系として扱うことができ、基準周波数ｆ_０の固有振動モードと周波数が２ｆ_０の２次の固有振動モードをねじり軸１７中心のねじり振動について有している。そのため、光偏向器には、上記θ_１θ_２の駆動信号に励起された共振がそれぞれ生じる。つまり、曲線６３の第２揺動可動子１１の変位角は、２つの正弦振動の重ね合わせの振動となり、
θ＝θ_１＋θ_２＝Φ_１ sin［ｗ_０ｔ］＋Φ_２ sin［２ｗ_０ｔ］（式３）
で表される鋸波状の振動となる。図４は、図３の曲線６１、６３、直線６４を微分した曲線６１ａ、６３ａ、直線６４ａを示しており、これらの曲線の角速度を説明している。基準周波数ｆ_０の正弦振動の角速度である曲線６１ａと比べ、第２揺動可動子１１の鋸波状の往復振動の角速度を示す曲線６３ａは、区間Ｎ−Ｎ’において、極大点の角速度Ｖ_１、極小点の角速度Ｖ_２を最大・最小とする範囲に角速度が収まっている。したがって、光偏向器による光の偏向走査を利用する応用において、等角速度走査である直線６４ａからの角速度の許容誤差以内にＶ_１、Ｖ_２が存在するならば、区間Ｎ−Ｎ’は実質的な等角度走査とみなすことができる。このように、鋸波状の往復振動によって、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、実質的な等角速度となる領域を広く設定することができるため、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。

さて、一般に、光偏向器の反射面は、光偏向中、常に高い平坦性を保持していることが望まれる。このため、停止時、駆動時のどちらの状態においても反射面の変形を抑える必要がある。また、共振周波数付近を駆動周波数とする本実施の形態のような光偏向器では、温度やその他の環境条件によって共振周波数が変化する。この共振周波数変化の原因は、部材自体の温度によるヤング率変化と熱膨張の他に、支持体１５が設置されている実装部材１５０からの応力やたわみが付加されることによって生じるものがある。この実装部材１５０からの応力やたわみは、共振周波数変化のみならず、機械的な振幅増幅率の変化、また、静的な応力のつりあいによる反射面の変形を招いてしまう。特に、本実施例に示すように、２つ以上の共振モードを同時に励起させて、複数の正弦振動の重ね合わせの波形で光偏向する場合は、駆動に使用するそれぞれの共振モードの相互の関係（機械的な振幅増幅率比、振幅比、位相差）を一定に保つことが非常に重要であるが、実装部材１５０からの応力やたわみの影響は、これらの関係を崩してしまうため、低減する必要がある。

本実施の形態では、第２揺動可動子１１が２本の振動系ねじりバネ１２によって、両持ち支持され、且つ、第１揺動可動子１３が、１本の支持体ねじりバネ１４によって片持ち支持されている。この特徴的なねじりバネ支持構成は以下のような効果を有している。

第２揺動可動子１１が両端支持されていることにより、ねじり振動時の角加速度のため生じる第１可動子の変形を効果的に抑制することができる。

そして、温度、湿度、外部からの衝撃等により、支持体１５へ実装部材１５０から応力、たわみが付加された場合、第１揺動可動子１３が支持体１５に、片持ち支持されていることにより、振動系への応力印加を低減することができる。したがって、本実施の形態では、第１可動子の駆動時角加速度による変形と、実装部材からの応力、たわみによる変形を低減しながら、実装部材からの応力、たわみによる共振周波数変化、振幅増幅率変化を低減し、各共振モードの相互の関係（機械的な振幅増幅率比、振幅比、位相差）を一定に保つために好適な形態となる。また、振動系には実装部材からのこれらの応力、たわみが印加されにくいため、これらの応力による破損を起き難くことができる。

（実施の形態２）
図７は本発明の光偏向器の第２の実施の形態を示す上面図である。以下図面では、第１の実施例と同じ機能を有する個所には同じ符号を付した。図７に示すように、本実施例の光偏向器は、支持体ねじり軸１０８、振動系ねじり軸１０９の２つのねじり軸まわりに、第１揺動可動子１０４、第２揺動可動子１０２の２つの可動部分がねじり振動自在に弾性支持された構成を有している。ここで、本実施の形態では第１揺動可動子１０４、第２揺動可動子１０２、ねじりバネ１０３の３つの要素を、振動系１６０とする。

機械的な接地面である支持体１５と、第１揺動可動子１０４とは、１本の第１軸ねじりバネ１０２によって、支持体ねじり軸１０８まわりにねじり振動自在に連結されている。一方、第２軸揺動可動子１０７は、図示のように、第１揺動可動子１０４の内側に位置しており、第１軸揺動可動子と２つのねじりバネ１０３によって振動系ねじり軸１０９まわりにねじり振動自在に連結されている。また、第２揺動可動子１０２の表面には図示しない反射面を光偏向体として有しており、入射した光を反射して、偏向することができる。

更に、支持体ねじり軸１０８と振動系ねじり軸１０９とは略直交しているため、第２軸揺動可動子１０７は、振動系ねじり軸１０９まわりのねじり変位と共に、第１揺動可動子１０４の支持体ねじり軸１０８まわりの変位によって、それら２つの軸まわりに変位することができる。したがって、第２軸揺動可動子１０７の反射面に入射した光は、２次元的に偏向走査される。

支持体１５は、第１の実施の形態の図２と同様に、図示しない実装部材１５０に設置されている。第１揺動可動子１０４、第２揺動可動子１０２が、図示しない駆動手段によってそれぞれ支持体ねじり軸１０８、振動系ねじり軸１０９まわりにねじり振動することにより光源からの光を２次元に偏向走査することができる。ここで、駆動手段は例えば、第１の実施の形態における図２と同様な第１揺動可動子１０４、第２揺動可動子１０２に設けられた永久磁石とそれぞれの永久磁石を駆動するための実装部材１５０に設置された固定コイルとすることなどで実現できる。

本実施の形態では、第１の実施の形態と類似の振動系１６０が、支持体１５について片持ち梁状の形態を有している。つまり、第２揺動可動子１０２が２本のねじりバネ１０３によって、両持ち支持され、且つ、第１揺動可動子１０４が、１本の支持体ねじりバネ１０５によって片持ち支持されている。したがって、本実施の形態においても、第２揺動可動子１０２の駆動時角加速度による変形と、実装部材１５０からの応力、たわみによる変形を低減しながら、実装部材１５０からの応力、たわみによる共振周波数変化、振幅増幅率変化を低減し、略直交する２つのねじり軸１０８、１０９周りのそれぞれの共振モードの相互の関係（機械的な振幅増幅率比、振幅比、位相差）を一定に保つために好適な形態となり、安定な２次元走査を行うことが可能となる。また、振動系には実装部材からのこれらの応力、たわみが印加されにくいため、これらの応力による破損を起き難くことができる。

（実施の形態３）
図８は上記光走査系を用いた光学機器の実施形態を示す図である。ここでは、光学機器として画像形成装置を示している。図８において、３００３は本発明の第１の実施の形態で示した光偏向器であり、本実施の形態では入射光を１次元に走査する。３００１はレーザ光源である。３００２はレンズあるいはレンズ群であり、３００４は書き込みレンズ或いはレンズ群、３００５は感光体である。レーザ光源から射出されたレーザ光は、光の偏向走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けて、光走査系３００３により１次元的に走査する。この走査されたレーザ光は書き込みレンズ３００４により、感光体３００５上へ画像を形成する。感光体３００５は図示しない帯電器により一様に帯電されており、この上に光を走査することによりその部分に静電潜像を形成する。次に、図示しない現像器により静電潜像の画像部分にトナー像を形成し、これを例えば図示しない用紙に転写・定着することで用紙上に画像が形成される。本発明の光偏向器により、光の偏向走査の角速度を仕様範囲内で略等角速度とすることができる。更に、本発明の光偏向器を用いることにより、温度などの外的要因でも、安定な画像形成を行うことができる。

（実施の形態４）
図９は上記光偏向器を用いた光学機器の実施例を示す図である。ここでは光学機器として画像表示装置を示している。図９において、２００１は、本発明の第２の実施の形態で示した光偏向器であり、投影面２００５にラスタスキャン状に入射光を偏向走査する。２００２はレーザ光源である。２００３はレンズ或いはレンズ群であり、２００４は書き込みレンズまたはレンズ群、２００５は投影面である。レーザ光源２００２から入射したレーザ光は光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けて光偏向器２００１により２次元的に走査する。この走査されたレーザ光は書き込みレンズ２００４により投影面２００５上に画像を形成する。

さて、本発明の光偏向器を用いることによって、小型で省電力な共振を利用した光偏向器でありながら、略等角速度に光をラスタスキャン状に偏向走査することができる。特に温度などの外的要因に対して、画像形成を安定とすることが可能となる。

（ａ）本発明の第１の実施の形態の光偏向器を示す上面図である。（ｂ）本発明の第１の実施例の光偏向器の駆動手段を示す上面図である。本発明の第１の実施の形態の光偏向器の図１（ｂ）Ａ−Ａ線における断面図である。本発明の第１の実施の形態の光偏向器によって偏向走査された光の変位角を示す図である。本発明の第１の実施の形態の光偏向器によって偏向走査された光の角速度を示す図である。本発明の第１の実施の形態の光偏向器によって偏向走査された光の標準化変位角を示す図である。本発明の第１の実施の形態の光偏向器によって偏向走査された光の標準化角速度を示す図である。本発明の第２の実施の形態の光偏向器を示す上面図である。本発明の光偏向器を用いた光学機器の一実施形態を示す図である。本発明の光偏向器を用いた光学機器の一実施形態を示す図である。光偏向器、光偏向器を示すブロック図である。光偏向器、光偏向器を示す上面図である。

符号の説明

１１第１揺動可動子
１２ねじりバネ
１３第２揺動可動子
１４支持体ねじりバネ
１５支持体
１６固定コイル
１７ねじり軸
６１、６１ａ曲線
６２曲線
６３、６３ａ曲線
６４、６４ａ直線
７１、７１ａ曲線
７２、７２ａ曲線
１５０実装部材
１５１永久磁石
１５２固定コイル
１０５支持体ねじりバネ
１０４第１揺動可動子
１０３ねじりバネ
１０２第２揺動可動子
１０８支持体ねじり軸
１０９振動系ねじり軸
１０１２光偏向器
１０１４第１可動子
１０１５変位検出用反射面
１０１６第２可動子
１０１８第１ねじりバネ
１０２０第２ねじりバネ
１０２３駆動手段
１０２６ねじり軸
１０３２変位検出手段
１０３４信号線
１０３８第１信号線
１０３６バンドパスフィルター回路
１０４０第２信号線
１０４０ａ信号線
１０４０ｂ信号線
１０４２乗算器
１０４６加算器
１０５０駆動回路
１０５４位相調節入力
１０５５振幅調節入力
１０５８ピーク検出回路
１０６０自動ゲイン制御回路
１０６１差分増幅回路
１０６３プリセット振幅
１０６４ゲイン制御回路
２００１光偏向器
２００２レーザ光源
２００３レンズ
２００４書き込みレンズ
２００５投影面
３００１レーザ光源
３００２レンズ
３００３光走査系
３００４書き込みレンズ
３００５感光体
４０１６駆動手段
４０１８第２のねじり軸
４０１７第１のねじり軸
４０２１可動子
４０２２第２のねじりバネ
４０２３外側可動子
４０２４第１のねじりバネ
４０２５支持体

Claims

光源からの光を偏向走査する光偏向器であって、
該光偏向器は、支持体と振動系と該振動系を駆動する駆動手段とで構成され、
該振動系は、第１揺動可動子と、光偏向体を有する第２揺動可動子とを有し、
該第２揺動可動子は、前記第２揺動可動子を挟んで対向した複数のねじりバネで、振動系ねじり軸を中心に、ねじり振動自在に、第１揺動可動子と弾性支持され、前記支持体は、前記第１揺動可動子と、１本の支持体ねじりバネのみで支持体ねじり軸を中心に、ねじり振動自在に弾性支持されていることを特徴とする光偏向器。
前記振動系ねじり軸と前記支持体ねじり軸は略平行若しくは略同一直線上で、
前記第１揺動可動子は、前記第２揺動可動子と、
前記振動系ねじり軸に沿って、直列に弾性的に連結され、
前記振動系は、前記振動系ねじり軸および前記支持体ねじり軸まわりに、周波数が異なる少なくとも２つの固有振動モードを有し、
前記駆動手段は、前記振動系を、少なくとも２つの前記固有振動モードで、同時にねじり振動させることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
前記振動系は２つの異なる周波数の前記固有振動モードを有し、一方の周波数が他方の周波数の略２倍であることを特徴とする請求項２に記載の光偏向器。
前記振動系は２つの異なる周波数の前記固有振動モードを有し、一方の周波数が他方の周波数の略３倍であることを特徴とする請求項２に記載の光偏向器。
前記支持体ねじり軸と前記振動系ねじり軸は略直交していることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
光源と、請求項１〜５の何れか１つに記載の光偏向器と、感光体とを有し、該光偏向器は、前記光源からの光を前記光偏向器により偏向し、該光の少なくとも一部を前記感光体上に入射する画像形成装置。
光源と、請求項１〜５の何れか１つに記載の光偏向器とを有し、該光偏向器は、前記光源からの光を前記光偏向器により偏向し、該光の少なくとも一部を画像表示体上に投影することを特徴とする画像表示装置。