JP2007193115A - 共振型光偏向器およびそれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振型光偏向器の走査角速度の補正を行なう際に、正確な調律作業を不用にする。
【解決手段】偏向ミラー２０１と、その偏向ミラーを回転軸周りに弾性的に支持するトーションバー２０２と、そのトーションバーを支持する支持部と偏向ミラーを回転軸周りに加振する加振手段と偏向ミラーと一体に設けられた慣性モーメント可変手段を有する。慣性モーメント可変手段は、制御質量と、その制御質量をトーションバーのねじりの軸に略垂直な方向に変移可能に弾性的に支持する支持バネからなる。
【選択図】図４

Description

本発明は、機械共振を用いた共振型光偏向器の技術分野に関連する技術である。また、この共振型光偏向器を使用した走査型ディスプレイやレーザービームプリンタやデジタル複写機等の画像形成装置に関するものである。

従来、ミラーが共振駆動される共振型光偏向器が色々と提案されている。共振型光偏向器は、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、大幅に小型化が可能であること、消費電力が少ないこと、面倒れが理論的に存在しないこと、特に半導体プロセスによって製造されるＳｉ単結晶からなる共振型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（特許文献１）。

一方、共振型光偏向器においては、原理的にミラーの走査角が正弦的に変化するため、角速度が一定でないという問題点がある。この特性を補正するために、以下の手法が提案されている。

特許文献２においては、基本周波数とその３倍の周波数の振動モードを有する共振型偏向器を用い、基本波と３倍波を重ね合わせることで、略三角波駆動を実現している。この方法は、２つの振動モードを作成時に正確に調律し、それらを駆動することで角速度補正を行なうものである。
特開昭５７−８５２０号公報 米国特許４，８５９，８４６号公報

本発明は、共振型光偏向器の走査角速度の補正を行なう際に、正確な調律作業を不用にすうものである。また、より簡略化された構成を実現するものである。また、装置の小型化および消費エネルギーの低減化を実現するものである。また、共振周波数の制御を可能にするものである。また、より小型で消費電力が小さく低コストの画像形成装置を提供するものである。

上記課題を解決するための本発明は、
偏向ミラーと、その偏向ミラーを回転軸周りに弾性的に支持するトーションバーと、そのトーションバーを支持する支持部と偏向ミラーを回転軸周りに加振する加振手段と偏向ミラーと一体に設けられた慣性モーメント可変手段を有する共振型光偏向器である。

また、上記共振型光偏向器において、前記慣性モーメント可変手段が、制御質量と、その制御質量をトーションバーのねじりの軸に略垂直な方向に変位可能に弾性的に支持する支持バネからなることを特徴とする共振型光偏向器である。

また、上記加振手段が、偏向ミラーに取り付けられた可動永久磁石と、可動永久磁石に対して磁化方向に略垂直に交番磁界を印加する交番磁界発生手段を有することを特徴とする共振型光偏向器である。

また、上記加振手段が、圧電素子と該圧電素子の伸張により変形する変形部材を有することを特徴とする共振型光偏向器である。

また、光源と、該光源を変調する光源変調手段と、上記の共振型光偏向器と、光源変調手段と共振型光偏向器を制御する制御手段を有することを特徴とする画像形成装置である。

本発明の共振型光偏向器の動作原理を、図を用いて説明する。図８は、本発明の共振型光偏向器の原理を示すための模式図である。９０１は偏向ミラー、９０２はトーションバー、９０９は慣性モーメント可変手段９０９である。偏向ミラー９０１と慣性モーメント可変手段９０９は一体になって動くように結合されている。それらは２本のトーションバー９０２で弾性的に支持されており、２本のトーションバー９０２の他端は固定されている。本発明の共振型光偏向器は、偏向ミラー９０１に外部から加振力を加えることで、共振を起こさせ、偏向ミラー９０１の駆動を行なう。本発明の共振型光偏向器においては、慣性モーメント可変手段９０９を有することが特徴である。慣性モーメント可変手段９０９の慣性モーメントＩvは、図９に示すように、角速度ωの絶対値が大きくなると大きくなるように変化する。

図１０は、本発明の共振型光偏向器の角速度ωを時間ｔに対してプロットしたものである。図より、角速度ωの絶対値が大きな中立付近では、系の慣性モーメントが相対的に大きいため速度変動が少なくなり、また、角速度ωの絶対値が小さい領域では、系の慣性モーメントが相対的に小さくなるため速度変動が大きくなる様子が見て取れる。

以上のように、本発明においては、慣性モーメント可変手段９０９の慣性モーメントＩvは、角速度ωの絶対値が大きくなると大きくなるように変化する。このことにより、中立付近で速度変動の小さな共振型光偏向器を実現することができる。また、本発明の共振型光偏向器は、振動振幅を大きくすると共振周波数が低くなる特性があるので、振動振幅を制御することにより共振周波数を制御することができる。

次に、本発明の慣性モーメント可変手段の原理について説明する。図１１は、原理を説明する図である。９１９は慣性モーメント可変手段の回転軸、９１０は回転部材、９０４は支持バネ、９０５は制御用質量である。回転部材９１０は回転軸９１９の周りに回転できるように支持されており、２つの支持バネ９０４が放射状に取り付けられている。２つの支持バネ９０４の他端には制御質量９０５が連結されている。回転部材９１０が回転軸９１９の周りに角速度ωで回転しているとする。支持バネ９０４のバネ定数をｋ、制御質量９０５の質量をｍ、回転部材の回転軸９１９周りの慣性モーメントをＩ_０、支持バネ９０４が自由長のときの制御質量９０５の回転軸９１９からの距離をＲ_０、支持バネ９０４の伸びをΔＲとする。この系の力の釣り合いを考えると、支持バネ９０４のバネ力と制御質量９０５に働く遠心力が釣り合うので、

また、この系の慣性モーメントＩvは、以下で表せる。

式１、２より、

これをｍω^２＜ｋの範囲でプロットすると、図１２のようになり、慣性モーメントＩvは、角速度ωの絶対値が大きくなると大きくなるように変化することがわかる。

（実施例１）
図１（Ａ）は、本実施例の共振型光偏向器の上面図、図１（Ｂ）はＡ−Ａ’における断面図を表している。１０１は偏向ミラー、１０２は偏向ミラーを支える２本のトーションバー、１０３は支持部、１０４は４本の支持バネ、１０５は４つの制御質量、１０６は駆動コイル、１０７は磁性材料からなるコイル用磁心、１０８は偏向ミラー１０１の裏面につけられた可動永久磁石、１１０は基台、１１１はスペーサである。１０１〜１０５は、単結晶シリコン基盤をエッチングすることで一体に形成されており、偏向ミラー１０１の表面には光反射膜がコーティングされている。また、基台１１０とスペーサ１１１も金属材料から一体に形成されている。可動永久磁石１０８は、Ｎ極とＳ極が図１（Ｂ）で示した方向になるように磁化されている。また、制御質量１０５には、質量調整のために金属等の材料でできた重りを付加しても良い。

まず、本実施例の慣性モーメント可変手段について説明を行なう。図２は、本共振型光偏向器がトーションバー１０２の軸周りに角速度ωで回転しているときの様子を示している。静止時の制御質量１０５の重心とトーションバーとの距離をＲ、変位量をΔＲ、支持バネ１０４の１本のバネ定数をｋ／２、制御質量１０５の１個の質量をｍ／２、制御質量１０５の重心周りの慣性モーメントと偏向ミラー１０１と可動永久磁石１０８のトーションバー１０２の軸周りの慣性モーメントの総和をＩ_０とすると、本共振型光偏向器の可動部の慣性モーメントＩvは、式３で表される。それゆえ、本実施例の共振型光偏向器は、図１０に示したような、中立位置で速度の変動が少ない自由振動運動を行なうことがわかる。また、本実施例の共振型光偏向器は、振動振幅が大きくなると共振周波数が下がる傾向があるので、振動振幅を制御することで共振周波数を制御することができる。

次に、本実施例の加振手段について説明を行なう。図３（Ａ）は、コイル用磁心１０７の先端がＳ極になるようにコイル１０６に電流を流した場合の概略図である。図に示すように、磁力線はコイル用磁心１０７の底部から出て、先端部に入るような形になり、可動永久磁石１０８には図中左回りにトルクが作用する。また、図３（Ｂ）に示すように、コイル用磁心１０７の先端がＮ極になる向きにコイル１０６に電流を流すと、可動永久磁石１０８には図中右回りにトルクが作用することになる。つまり、コイル１０６に交番電流を流すことで、偏向ミラー１０１を駆動できることがわかる。この際の駆動周波数を、偏向ミラー１０１の共振周波数と略等しくすることで、本実施例の共振型光偏向器を共振駆動することができる。

以上説明したように、本発明によれば、中立付近の角速度変動小さい共振型光偏向器を提供できる。また、駆動周波数を制御することが可能な共振型光偏向器を提供できる。また、複数の共振周波数を合わせる必要が無いので正確な調律作業が不要な共振型光偏向器を提供できる。また、構造が単純なため小型化が容易でコストが安くできる。

（実施例２）
図４（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ本実施例の共振型光偏向器の上面図と正面図を表している。２０１は偏向ミラー、２０２は偏向ミラーを支えるトーションバー、２０３は支持部、２０４は４本の支持バネ、２０５は２つの制御質量、２１０は基台である。２２０は加振アクチュエータであり、変形部材２２１と積層型圧電素子２２２Ａ、Ｂから構成されている。２０１〜２０５は単結晶シリコン基盤をエッチングすることで一体に形成されており、２０１の表面には光反射膜がコーティングされている。制御質量２０５には、質量調整のために金属等の材料でできた重りを付加しても良い。

本実施例においても、偏向ミラー２０１が回転すると、図５に示すように制御質量２０５に遠心力が働き、支持バネ２０４がたわむことで、可動部全体の慣性モーメントが大きくなる。よって、本実施例の共振型光偏向器は、図１０に示したような、中立位置で速度の変動が少ない自由振動運動を行なうことがわかる。また、本実施例の共振型光偏向器は、振動振幅が大きくなると共振周波数が下がる傾向があるので、振動振幅を制御することで共振周波数を制御することができる。

次に、本実施例の加振手段について説明を行なう。図６は、本実施例の加振アクチュエータ２２０の動作を説明する図である。積層型圧電素子２２２Ａが縮み、２２２Ｂが伸びる向きに電圧を印加すると、変形部材２２１は図で示したように変形し、支持部２０３を回転させる。積層型圧電素子２２２Ａ、Ｂの伸縮を逆にすれば、支持部２０３の回転方向は逆になる。これらのことから、２つの積層型圧電素子２２２Ａ、Ｂに交番電圧を印加することで、偏向ミラー２０１を駆動できることがわかる。この際の駆動周波数を、偏向ミラー２０１の共振周波数と略等しくすることで、本実施例の共振型光偏向器を共振駆動することができる。

以上説明したように、本発明によれば、中立付近の角速度変動小さい共振型光偏向器を提供できる。また、駆動周波数を制御することが可能な共振型光偏向器を提供できる。また、複数の共振周波数を合わせる必要が無いので正確な調律作業が不要な共振型光偏向器を提供できる。また、構造が単純なため小型化が容易でコストが安くできる。

（実施例３）
図７は、本発明の光走査型ディスプレイを説明するための概略図である。レーザー光源３０３から射出されたレーザー光３１０は、本発明の第１光偏向器３０１で水平方向に走査され、次に第２光偏向器３０２で垂直方向に走査され、スクリーン３２０上に画像を形成する。光偏向器３０１、３０２とレーザー光源３０３は、制御手段３０４から制御される。

本発明によれば、走査中央部と周辺部で走査速度の違いが少ない光走査型ディスプレイを提供することができる。

（Ａ）実施例１の共振型光偏向器の上面図である。

（Ｂ）実施例１の共振型光偏向器の断面図である。
実施例１の共振型光偏向器の慣性モーメント可変手段を説明する図である。 （Ａ）（Ｂ）実施例１の共振型光偏向器の加振手段を説明する図である。 （Ａ）実施例２の共振型光偏向器の上面図である。

（Ｂ）実施例２の共振型光偏向器の正面図である。
実施例２の共振型光偏向器の慣性モーメント可変手段を説明する図である。 実施例２の共振型光偏向器の加振手段を説明する図である。 実施例３の光走査型ディスプレイを説明する図である。 本発明の構成を説明する図である。 本発明の慣性モーメントの変化を説明する図である。 本発明の共振型光偏向器の角速度ωを説明する図である。 本発明の慣性モーメント可変手段の原理を説明する図である。 本発明の慣性モーメント可変手段の原理を説明するグラフである。

符号の説明

１０１、２０１、９０１ 偏向ミラー
１０２、２０２、９０２ トーションバー
１０３、２０３ 支持部
１０４、２０４、９０４ 支持バネ
１０５、２０５、９０５ 制御用質量
１０６ 駆動コイル
１０７ コイル用磁心
１０８ 可動永久磁石
１１０、２１０ 基台
１１１ スペーサ
２２０ 加振アクチュエータ
２２１ 変形部材
２２２Ａ、Ｂ 積層型圧電素子
３０１ 第１光偏向器
３０２ 第２光偏向器
３０３ レーザー光源
３１０ レーザー光
３０４ 制御手段
３２０ スクリーン
９０９ 慣性モーメント可変手段
９１０ 回転部材

Claims (5)

1. 偏向ミラーと、該偏向ミラーを回転軸周りに弾性的に支持するトーションバーと、該トーションバーを支持する支持部と該偏向ミラーを該回転軸周りに加振する加振手段と該偏向ミラーと一体に設けられた慣性モーメント可変手段を有する共振型光偏向器。
2. 前記慣性モーメント可変手段が、制御質量と、該制御質量を前記トーションバーのねじりの軸に略垂直な方向に変位可能に弾性的に支持する支持バネからなることを特徴とする請求項１に記載の共振型光偏向器。
3. 前記加振手段が、前記偏向ミラーに取り付けられた可動永久磁石と、該可動永久磁石に対して磁化方向に略垂直に交番磁界を印加する交番磁界発生手段を有することを特徴とする請求項１から２に記載の共振型光偏向器。
4. 前記加振手段が、圧電素子と該圧電素子の伸張により変形する変形部材を有することを特徴とする請求項１から２に記載の共振型光偏向器。
5. 光源と、該光源を変調する光源変調手段と、請求項１から４に記載の前記共振型光偏向器と、前記光源変調手段と前記共振型光偏向器を制御する制御手段を有することを特徴とする画像形成装置。

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