JP2006243251A - 光偏向器 - Google Patents

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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に相当する部分を示している(−T/2<X<T/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の成分を示しており、最大振幅±Φの範囲で往復振動し、時間t、角周波数w=2πfとして、
θ=Φ sin[wt] (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の2倍の周波数成分を示しており、最大振幅±Φの範囲で振動し、
θ=Φ sin[2wt] (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の固有振動モードと周波数が2f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θθ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+θ=Φ sin[wt]+Φ sin[2wt] (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、極小点の角速度V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、V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 (7)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
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