JP2007226108A - Optical scanner and image forming apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、マイクロマシニング技術を応用した微小光学系を有する光走査装置に関し、例えば、デジタル複写機、及びレーザプリンタ等の書込系に用いられる光走査装置、あるいはバーコードリーダー等の読み取り装置などに好適な技術に関する。 The present invention relates to an optical scanning device having a micro optical system to which micromachining technology is applied, for example, an optical scanning device used in a writing system such as a digital copying machine and a laser printer, or a reading device such as a barcode reader. The present invention relates to a technology suitable for
従来の振動ミラーでは、同一直線上に設けられた2本の梁で支持されたミラー基板を、ミラー基板に対向する位置に設けた電極との間の静電引力で、2本の梁をねじり回転軸として往復振動させている(例えば、非特許文献1参照)。マイクロマシニング技術で形成されるこの光走査装置は、従来のモーターを使ったポリゴンミラーの回転による光走査装置と比較して、構造が簡単で半導体プロセスでの一括形成が可能なため、小型化が容易で製造コストも低く、また単一の反斜面であるため複数面による精度のばらつきがなく、さらに往復走査であるため高速化にも対応できる等の効果が期待できる。
In a conventional oscillating mirror, a mirror substrate supported by two beams provided on the same straight line is twisted by electrostatic attraction between an electrode provided at a position facing the mirror substrate. A reciprocating vibration is used as a rotating shaft (see Non-Patent
このような静電駆動の振動ミラーとしては、梁をS字型として剛性を下げ、小さな駆動力で大きな振れ角が得られるようにしたもの(例えば、特許文献1参照)、梁の厚さをミラー基板、フレーム基板よりも薄くしたもの(例えば、特許文献2参照)、固定電極をミラー部の振動方向に重ならない位置に配置したもの(例えば、特許文献3、非特許文献2参照)、また、対向電極をミラーの振れの中心位置から傾斜させて設置することで、ミラーの振れ角を変えずに駆動電圧を下げたものがある(例えば、非特許文献3参照)。
As such an electrostatically driven vibrating mirror, the beam is made into an S-shape to reduce the rigidity so that a large deflection angle can be obtained with a small driving force (for example, see Patent Document 1). A mirror substrate, a substrate thinner than the frame substrate (for example, refer to Patent Document 2), a fixed electrode disposed at a position that does not overlap the vibration direction of the mirror part (for example, refer to
図17を参照して、従来の問題点を説明する。図17(a)に示される光偏向素子において、環境温度が変化したとき光偏向素子の共振周波数が変化し、そのために光偏向素子の振れ角が減少するという問題がある。 A conventional problem will be described with reference to FIG. The optical deflection element shown in FIG. 17A has a problem that when the environmental temperature changes, the resonance frequency of the optical deflection element changes, and therefore the deflection angle of the optical deflection element decreases.
図17(a)、(b)に示す、同一直線上に設けた2本の梁を回転軸として支持されたミラー基板(可動部)44と、ミラー基板44に設けた可動電極46と、可動電極46に対向して設けた固定電極20を有し、可動電極46と固定電極20との間の静電引力で、2本の梁45をねじり回転軸としてミラー基板44を往復振動させる光偏向素子において、共振周波数は、近似的に以下の式で与えられる。
17 (a) and 17 (b), a mirror substrate (movable part) 44 supported by two beams provided on the same straight line as a rotation axis, a
f=(1/2π)v(Kθ/I) (1)
但しKθ=捻りバネ定数、
Kθ=β・t・c^3・E/L(1+v)
t;バネ厚さ、L;長さ、c;幅 v;ポアッソン比
I=ミラー慣性モーメント
Siの温度係数をΔhtとするとき、温度Tにおけるヤング率は、以下の式で与えられる。
f = (1 / 2π) v (Kθ / I) (1)
Where Kθ = torsion spring constant,
Kθ = β · t · c ^ 3 · E / L (1 + v)
t; spring thickness, L; length, c; width v; Poisson's ratio I = Miller moment of inertia
When the temperature coefficient of Si is Δht, the Young's modulus at the temperature T is given by the following equation.
ヤング率E=E0(1−Δht*T) (2)
但しE0=1.9e+12(dyne/cm2)、
Δht=75e−6/°c
式(2)より、温度Tが高くなれば、ヤング率Eが小さくなることが分かる。これにより、(1)において、温度Tが大きくなれば共振周波数は、小さくなることが分かる。
Young's modulus E = E0 (1-Δht * T) (2)
However, E0 = 1.9e + 12 (dyne / cm2),
Δht = 75e−6 / ° c
From equation (2), it can be seen that the Young's modulus E decreases as the temperature T increases. Thereby, in (1), if the temperature T becomes large, it turns out that a resonant frequency becomes small.
図17(c)は、温度と共振周波数の関係の実測結果を示す。同図において、温度変化に応じて共振周波数が変化しているのが分かる。 FIG. 17C shows the actual measurement result of the relationship between temperature and resonance frequency. In the figure, it can be seen that the resonance frequency changes according to the temperature change.
そこで、図18(a)、(b)に示すように、このような共振周波数のばらつきを抑えるため、弾性変形部13に電気抵抗素子6を設けて、電気抵抗素子6に通電することにより電気抵抗素子6が発熱し、弾性変形部13の温度が変化し、これにより弾性変形部13のバネ定数が変化し、振動の共振周波数を変化させる方法が提案されている(例えば、特許文献4を参照)。
Therefore, as shown in FIGS. 18A and 18B, in order to suppress such a variation in the resonance frequency, an
弾性変形部13に電気抵抗素子6を設けることにより、環境温度の変動による共振周波数の変動を抑えることも可能となる。しかし、弾性変形部13に電気抵抗素子6を設けるためのプロセスが複雑でありコストアップの原因となる。また電気抵抗素子6の温度制御回路30が必要となり、同じくコストアップの要因となる。
また、共振周波数のばらつきによる振れ角のばらつきという問題もある。上記したように、共振周波数は近似的に(1)式で与えられる。ミラー形状のばらつきにより慣性モーメントIがばらつく。また、ねじり梁形状のばらつきによりバネ定数Kθがばらつく。これにより、(1)式より共振周波数のばらつきが発生する。
By providing the
There is also a problem of variation in deflection angle due to variation in resonance frequency. As described above, the resonance frequency is approximately given by equation (1). The moment of inertia I varies due to variations in the mirror shape. Further, the spring constant Kθ varies due to variations in the shape of the torsion beam. Thereby, the dispersion | variation in a resonant frequency generate | occur | produces from (1) Formula.
このような共振周波数のばらつき特性をもった光走査装置を、レーザープリンタ等の光書き込み装置に用いた場合の問題点について検討する。 Consideration will be given to problems when the optical scanning device having such resonance frequency variation characteristics is used in an optical writing device such as a laser printer.
図16(a)に示されるレーザープリンタの書き込み装置は、複数個の光走査装置から構成され、主走査方向に配置されている。書き込み幅に対して、複数個の光走査装置により書き込みを行う。この光走査装置の共振周波数のばらつきを測定した結果を図19(a)に示す。また、光走査装置の振れ角周波数特性の測定結果を図19(b)に示す。このようなレーザープリンタの場合、光書き込み装置は、同一周波数の駆動信号Fdにより駆動される。この駆動信号Fdにおける各光走査装置の振れ角周波数特性を図19(c)に示す。図19(c)において、各走査装置の振れ角は、駆動信号と各周波数特性との交点で与えられ、振れ角のばらつきは図19(c)に示される範囲で与えられる。 The writing device of the laser printer shown in FIG. 16A is composed of a plurality of optical scanning devices and is arranged in the main scanning direction. Writing is performed with respect to the writing width by a plurality of optical scanning devices. FIG. 19A shows the result of measuring the variation in the resonance frequency of this optical scanning device. Further, FIG. 19B shows the measurement result of the shake angular frequency characteristic of the optical scanning device. In such a laser printer, the optical writing device is driven by a drive signal Fd having the same frequency. FIG. 19C shows the shake angular frequency characteristics of each optical scanning device at the drive signal Fd. In FIG. 19C, the deflection angle of each scanning device is given by the intersection of the drive signal and each frequency characteristic, and the variation of the deflection angle is given in the range shown in FIG. 19C.
本発明は上記した問題点に鑑みてなされたもので、
本発明の目的は、従来例のような電気抵抗素子などによる温度制御を行うことなく、環境温度が変化しても振れ角の変動が少ない光偏向素子構造を提供し、また、共振周波数のばらつきによる振れ角のばらつきの少ない光走査装置および画像形成装置を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above problems,
An object of the present invention is to provide an optical deflector structure in which the fluctuation of the swing angle is small even when the environmental temperature changes without performing temperature control by an electric resistance element or the like as in the conventional example, and the variation in resonance frequency. It is an object of the present invention to provide an optical scanning device and an image forming apparatus in which variation in the deflection angle due to the above is small.
本発明は、ミラーの両端面に設けた可動電極と、それと対向して各々設けた第1の固定電極と、前記第1の固定電極の揺動方向同一面に重ねて設けた第2の固定電極とから構成されて、第1の固定電極、ミラーは一直線上に配置されており、ミラー側面に同一直線上に設けた梁を捻り回転軸として往復振動し、光源からのビームを偏向走査する光走査装置において、ミラーの両端面可動電極と第1の固定電極間に作用する静電気力と、ミラーの両端面可動電極と第2の固定電極間に作用する静電気力のどちらか一方の静電気力によりミラーを振動させることを最も主要な特徴とする。 The present invention provides a movable electrode provided on both end faces of a mirror, a first fixed electrode provided opposite to the movable electrode, and a second fixed provided overlapping the same plane in the swing direction of the first fixed electrode. The first fixed electrode and the mirror are arranged in a straight line, and reciprocally vibrate using a beam provided on the same side of the mirror as a torsional rotation axis to deflect and scan the beam from the light source. In the optical scanning device, one of the electrostatic force acting between the movable electrode at both ends of the mirror and the first fixed electrode and the electrostatic force acting between the movable electrode at both ends of the mirror and the second fixed electrode. The most important feature is to vibrate the mirror.
本発明(請求項1)によると、振れ角の周波数特性が、従来構成の周波数特性よりブロードな特性になり、また、振れ角のばらつきが低減する。 According to the present invention (claim 1), the frequency characteristic of the deflection angle becomes broader than the frequency characteristic of the conventional configuration, and the variation of the deflection angle is reduced.
本発明(請求項2)によると、周波数変化に対して、振れ角変化の大きい領域を除外できるので、光走査装置が安定に動作する。 According to the present invention (Claim 2), since the region where the deflection angle change is large with respect to the frequency change can be excluded, the optical scanning device operates stably.
本発明(請求項3)によると、定格振れ角θmを満足する周波数帯域を大きくとることができる。 According to the present invention (Claim 3), a large frequency band satisfying the rated deflection angle θm can be obtained.
本発明(請求項4)によると、第二の固定電極とミラー電極間に作用する静電気力の作用角度を広げることができ、これにより振れ角周波数特性の帯域を拡大することができる。 According to the present invention (Claim 4), the working angle of the electrostatic force acting between the second fixed electrode and the mirror electrode can be widened, whereby the band of the deflection angular frequency characteristic can be widened.
本発明(請求項5)によると、ミラー基板がベース基板とカバーガラスとの空間に減圧封止されているので、粘性抵抗係数が小さくなり、振れ角を大きくできる。 According to the present invention (Claim 5), since the mirror substrate is sealed under reduced pressure in the space between the base substrate and the cover glass, the viscosity resistance coefficient is reduced and the deflection angle can be increased.
本発明(請求項6)によると、ミラーの振れ角を大きくできる。 According to the present invention (Claim 6), the deflection angle of the mirror can be increased.
本発明(請求項7)によると、第一の固定電極と第二の固定電極が櫛歯形状をしているので、電極間の対向面積を大きくすることができる。その結果、対向面積に比例する静電気力が大きくなり、これより振動振幅を大きくできる。 According to the present invention (Claim 7), since the first fixed electrode and the second fixed electrode have a comb shape, the facing area between the electrodes can be increased. As a result, the electrostatic force proportional to the facing area is increased, and the vibration amplitude can be increased.
本発明(請求項8)によると、従来のポリゴンスキャナーに比較して部品数が非常に少ないので、ローコスト化が期待できる。 According to the present invention (Claim 8), since the number of parts is very small as compared with the conventional polygon scanner, a reduction in cost can be expected.
以下、発明の実施の形態について図面により詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
実施例1:
図1は、本発明の実施例1の構成を示す。図1(b)は、図1(a)の断面図である。図1(a)において、42は第一の基板、43は第二の基板である。第一の基板42には、エッチングによる加工により可動部44の両側面に、捻りバネ45,45’が設けられている。また、可動部44の両端面に可動電極46,46’が設けられ、それと対向して第一の固定電極51、52を形成している。第一の基板42は、分離溝49により、ミラー面を有する可動部44と第一固定電極51と第一固定電極52に分割される。
Example 1:
FIG. 1 shows the configuration of
第二の基板43が、第一の基板42と絶縁層48を介して接合され、可動部44の揺動空間59が形成されている。第二の基板43は、分離溝49により、2つの第二固定電極53、54に分割される。
The
本実施例では、第一の固定電極と可動電極間に電圧を印加し、二つの電極間に作用する静電気力を駆動力とする場合と、第二の固定電極と可動電極間に電圧を印加し、二つの電極間に作用する静電気力を駆動力とする場合がある。 In this embodiment, a voltage is applied between the first fixed electrode and the movable electrode, and an electrostatic force acting between the two electrodes is used as the driving force, and a voltage is applied between the second fixed electrode and the movable electrode. In some cases, the driving force is an electrostatic force acting between the two electrodes.
光走査装置の力学的モデルとして、一自由度振動系を取り上げて、光走査装置の動作を説明する。 The operation of the optical scanning device will be described by taking a one-degree-of-freedom vibration system as a mechanical model of the optical scanning device.
一自由度系振動系で、バネが非線形性を有するモデルにより解析を行う(duffingの方程式)。 The analysis is performed using a model having a one-degree-of-freedom vibration system in which the spring has nonlinearity (duffing equation).
図2において、
・ねじりバネ/静電気トルクを、線形バネ定数k、非線形バネ常数βのバネでモデル化し、
・ミラーの慣性を、質点(I)でモデル化し、
・空気粘性を、ダシュポット(c)でモデル化し、
・外力を、振幅q、角速度ω0の正弦波でモデル化とすると、
I・X”+c・X’+(k・X+β・X^3)=q・cosωt (3)
となる(Xは変位、X’は1階微分、X”は2階微分、X^3は3階微分)。
In FIG.
・ Torsion spring / electrostatic torque is modeled by a spring with linear spring constant k and nonlinear spring constant β,
・ Model the inertia of the mirror with the mass (I),
・ Air viscosity is modeled in a dashpot (c),
・ When external force is modeled as a sine wave with amplitude q and angular velocity ω0,
I · X ″ + c · X ′ + (k · X + β · X ^ 3) = q · cos ωt (3)
(X is displacement, X ′ is the first derivative, X ″ is the second derivative, and X ^ 3 is the third derivative).
この一自由度振動系に正弦波外力が作用するモデルにより、振動特性解析を行う。
(A)第一の固定電極と可動電極間に電圧を印加し、二つの電極間に作用する静電気力を駆動力とする場合:
図3(a)は、第一の固定電極51,52と可動電極間46の間に作用するトルクを示している。(3)式における戻りバネ力は、捻りバネ力と静電気トルクTrqの和で与えられる。
Vibration characteristics are analyzed using a model in which a sinusoidal external force acts on this one-degree-of-freedom vibration system.
(A) When a voltage is applied between the first fixed electrode and the movable electrode, and the electrostatic force acting between the two electrodes is used as the driving force:
FIG. 3A shows torque acting between the first
図3(b)は、図3(a)に示される第一の固定電極と可動電極間の静電気力を求めた結果を示す。計算は有限要素法により求めた。この静電トルクとねじりバネ力を加え合わせた力が、ミラーの戻り力として作用する。 FIG. 3B shows the result of obtaining the electrostatic force between the first fixed electrode and the movable electrode shown in FIG. The calculation was obtained by the finite element method. A force obtained by adding the electrostatic torque and the torsion spring force acts as a return force of the mirror.
図3(c)は、静電トルクとねじりバネ力を加え合わせた力、戻り力(k・X+βX^3)を示す。この戻り力は、原点に対して対称であり、振れ角θ>0において、上に凸、振れ角θ<0において、下に凸である。よって、3次の多項式(k・X+βX^3、但しβ<0)で近似できる。 FIG. 3C shows a force obtained by adding the electrostatic torque and the torsion spring force, and a return force (k · X + βX ^ 3). This return force is symmetric with respect to the origin, and is convex upward at a deflection angle θ> 0 and convex downward at a deflection angle θ <0. Therefore, it can be approximated by a cubic polynomial (k · X + βX ^ 3, where β <0).
方程式(3)から、定常状態での周波数応答特性を求めた結果を、図5(b)に示す。 FIG. 5B shows the result of obtaining the frequency response characteristic in the steady state from the equation (3).
図5(b)において、斜線部は(3)式の定常状態の解が存在しない範囲を示す。この解の存在範囲により、非線形振動系に特有な跳躍減少とヒステリシス減少が発生する。斜線部に定常解が存在し得ないため、駆動周波数の上昇及び下降に応じて、周波数応答が不連続に変化する。駆動周波数を上昇させていくとき、A’−>B’の跳躍が生じる。また、駆動周波数を減少させていくとき、C’−>D’の跳躍が生じる。 In FIG. 5B, the shaded area indicates a range where there is no steady-state solution of equation (3). Due to the existence range of this solution, a jump decrease and a hysteresis decrease that are characteristic of the nonlinear vibration system occur. Since a steady solution cannot exist in the shaded area, the frequency response changes discontinuously as the drive frequency increases and decreases. When the drive frequency is increased, a jump of A '-> B' occurs. Further, when the drive frequency is decreased, a jump of C ′-> D ′ occurs.
図5(b)は、上記結果から得られる周波数を下降させた場合の応答曲線を示し、いわゆるソフトスプリング効果(駆動周波数が低くなるに従って共振点C’が低くなる現象)が現れていることがわかる。
(B)第二の固定電極と可動電極間に電圧を印加し、二つの電極間に作用する静電気力を駆動力とする場合:
図4(a)は、第二の固定電極53,54と可動電極間46の間に作用するトルクを示している。(3)式における戻りバネ力は、捻りバネ力と静電トルクの和で与えられる。
FIG. 5B shows a response curve when the frequency obtained from the above result is lowered, and a so-called soft spring effect (a phenomenon in which the resonance point C ′ becomes lower as the drive frequency becomes lower) appears. Recognize.
(B) When a voltage is applied between the second fixed electrode and the movable electrode, and the electrostatic force acting between the two electrodes is used as the driving force:
FIG. 4A shows torque acting between the second
図4(b)は、図4(a)に示される第二の固定電極と可動電極間の静電気力を求めた結果を示す。計算は有限要素法により求めた。この静電トルクとねじりバネ力を加え合わせた力が、ミラーの戻りバネ力として作用する。 FIG. 4B shows the result of obtaining the electrostatic force between the second fixed electrode and the movable electrode shown in FIG. The calculation was obtained by the finite element method. A force obtained by adding the electrostatic torque and the torsion spring force acts as a return spring force of the mirror.
図4(c)は、静電トルクとねじりバネ力を加え合わせた力、戻り力を示す。この戻り力は、原点に対して対称であり、振れ角θ>0において、下に凸、振れ角θ<0において、上に凸である。よって、3次の多項式(k・X+βX^3、但しβ>0)で近似できる。これは、上記(A)の場合と全く逆になる。 FIG. 4C shows the return force and the force obtained by adding the electrostatic torque and the torsion spring force. This return force is symmetric with respect to the origin, and is convex downward at a deflection angle θ> 0 and convex upward at a deflection angle θ <0. Therefore, it can be approximated by a cubic polynomial (k · X + βX ^ 3, where β> 0). This is completely opposite to the case of (A) above.
方程式(3)から、定常状態での周波数応答特性を求めた結果を、図5(a)に示す。 FIG. 5A shows the result of obtaining the frequency response characteristic in the steady state from the equation (3).
図5(a)において、斜線部は式(3)の定常状態の解が存在する範囲を示す。この解の存在範囲により、非線形振動系に特有な跳躍減少とヒステリシス減少が発生する。斜線部に定常解が存在し得ないため、駆動周波数の上昇及び下降に応じて周波数応答が不連続に変化する。駆動周波数を上昇させていくとき、A−>Bの跳躍が生じる。また、駆動周波数を減少させていくとき、C−>Dの跳躍が生じる。 In FIG. 5A, the shaded area indicates a range where the steady state solution of Equation (3) exists. Due to the existence range of this solution, a jump decrease and a hysteresis decrease that are characteristic of the nonlinear vibration system occur. Since a steady solution cannot exist in the shaded area, the frequency response changes discontinuously as the drive frequency increases and decreases. When the drive frequency is increased, a jump of A-> B occurs. Further, when the drive frequency is decreased, a jump of C-> D occurs.
図5(a)は、上記結果から得られる周波数を上昇させた場合の応答曲線を示し、ハードスプリング効果(駆動周波数が高くなるに従って共振点Aが高くなる現象)が現れていることがわかる。 FIG. 5A shows a response curve when the frequency obtained from the above results is increased, and it can be seen that a hard spring effect (a phenomenon in which the resonance point A increases as the drive frequency increases) appears.
図5(c)は、上記した(A)、(B)の場合の解析結果を基に両方の場合の振れ角周波数応答を、同一グラフに示した図である。(A)、(B)の両方の応答曲線は、ミラーの慣性と捻り梁の捻りバネ定数で定まる共振周波数でピーク値をもつ。そして、図5(c)に示すように、振れ角周波数特性において、従来構成の周波数特性より、ブロードな特性になっていることがわかる。図6は、本発明の光走査装置を複数個、同時に使用した場合の振れ角のばらつきを示す。単一の駆動信号周波数(Fd)に対する振れ角を、各光走査装置の振れ角応答特性から求める。周波数Fdと各走査装置の振れ角応答特性との交点が、周波数(Fd)での振れ角を与える。これにより、振れ角ばらつきを求めると、図6に示すように、従来例に比較して振れ角のばらつきが低減しているのがわかる。 FIG. 5C is a graph showing the angular frequency response in both cases based on the analysis results in the cases (A) and (B) described above. Both response curves (A) and (B) have a peak value at the resonance frequency determined by the inertia of the mirror and the torsion spring constant of the torsion beam. As shown in FIG. 5C, it can be seen that the deflection angular frequency characteristic is broader than the frequency characteristic of the conventional configuration. FIG. 6 shows variation in deflection angle when a plurality of optical scanning devices of the present invention are used simultaneously. A deflection angle with respect to a single drive signal frequency (Fd) is obtained from a deflection angle response characteristic of each optical scanning device. The intersection of the frequency Fd and the deflection angle response characteristic of each scanning device gives the deflection angle at the frequency (Fd). Thus, when the fluctuation of the deflection angle is obtained, it can be seen that the fluctuation of the deflection angle is reduced as compared with the conventional example as shown in FIG.
光偏向素子として必要とされる振れ角をθmとする。図7は、この振れ角θmを振れ角周波数特性に追加した図である。図7において、以下の方法により振れ角θ以上の帯域を求めると、f1〜f2、f3〜f4となる。
(1)共振周波数近傍は、周波数変化に対する振れ角の変化が著しいこと、更に周波数帯域として、非常に狭い帯域であるので除外しても実用上差し支えない。
(2)振れ角は静電気力に比例し、静電気力は印加電圧に比例する。振れ角θmより振れ角が大きい領域では、印加電圧を低下させることにより、振れ角θmに調整一致させることが出来る。よって、共振周波数近傍を除いた領域を駆動領域として設定する。
The deflection angle required for the optical deflection element is θm. FIG. 7 is a diagram in which the deflection angle θm is added to the deflection angular frequency characteristic. In FIG. 7, when a band greater than the deflection angle θ is obtained by the following method, f1 to f2 and f3 to f4 are obtained.
(1) In the vicinity of the resonance frequency, the change of the deflection angle with respect to the frequency change is remarkable, and since it is a very narrow band as a frequency band, it can be excluded from practical use.
(2) The deflection angle is proportional to the electrostatic force, and the electrostatic force is proportional to the applied voltage. In a region where the deflection angle is larger than the deflection angle θm, the applied voltage can be lowered to make the adjustment angle coincide with the deflection angle θm. Therefore, the region excluding the vicinity of the resonance frequency is set as the drive region.
(第1の駆動方法)
図1(b)において、光走査装置55には駆動回路60、比較回路61が追加されている。可動部44はGNDに接続されていて、第一の固定電極51、52、第二の固定電極53、54はそれぞれ駆動回路60に接続されている。
(First driving method)
In FIG. 1B, a
画像信号生成装置(図示せず)からの画像信号に応じた光偏向素子駆動信号62は、最初に比較回路61に入力される。比較回路61では、駆動信号周波数62と、図1(a)に示すミラー可動部の慣性と捻りバネによって決定される共振周波数を比較する。駆動信号周波数62が共振周波数より高い場合、比較回路61は第一の固定電極51、52を選択し、駆動回路60は可動部の可動電極46と第一の固定電極51、52間に電圧を印加する。
An optical deflection
駆動信号周波数62が共振周波数より低い場合、比較回路61は第二の固定電極53、54を選択し、駆動回路60は可動部の可動電極46と第二の固定電極53、54間に電圧を印加する。
When the
上記したように、光走査装置の駆動信号と共振周波数を比較した結果を基に、第1の固定電極に駆動信号を印加するか、第2の固定電極に駆動信号を印加するかを判定しているので、図7に示すように、定格振れ角θmを満足する周波数帯域を大きくとれる。 As described above, it is determined whether to apply the drive signal to the first fixed electrode or to apply the drive signal to the second fixed electrode based on the result of comparing the drive signal of the optical scanning device and the resonance frequency. Therefore, as shown in FIG. 7, a large frequency band satisfying the rated deflection angle θm can be obtained.
図8に示すように、第二の固定電極53、54の厚さを、第一の固定電極51,52の厚さよりも厚くする。典型的には、第二の固定電極53,54の厚さは、第一の固定電極51,52の2倍程度に設定される。
As shown in FIG. 8, the thickness of the second
このような構成を採る、第二の固定電極53,54と可動電極間46に電圧を印加し、二つの電極間に作用する静電気力を求めた結果を図9(b)に示す。電極の厚さを厚くすることにより、静電気力がほぼ作用しなくなる角度θ0‘が、厚くしない場合の角度θ0より広くなっていることがわかる。なお、図9(a)は第二の固定電極と可動電極間に作用するトルクを示し、図9(c)は戻り力を示す。図10は、求めた定常状態での振れ角の周波数特性を示す。これにより、静電トルクの作用範囲が増加し、振れ角の帯域幅が増加していることがわかる。
FIG. 9B shows the result of obtaining the electrostatic force acting between the two electrodes by applying a voltage between the second
図11は、光走査装置を組み立てる図を示す。(b)はアッセンブリーされた状態の断面図である。図11(a)において、31はガラス等の透明部材からなるカバー基板、42は捻り回転軸45と可動部44を有する第一基板、35は第一基板42に電気的に接続するための貫通電極36を有し、封止するためのベース基板である。第一基板42は、分離溝49により、可動電極46とミラー33を有する可動部44と、固定電極51、52を有する固定部58に分割されている。ベース基板35には、固定電極51〜54と可動電極46にそれぞれ接続される貫通電極36が設けられている。図11(b)において、貫通電極36は固定部47に接触し、電気的に接続されている。同様に、可動部は貫通電極36に接触し、電気的な接続がとられている。
FIG. 11 shows a diagram for assembling the optical scanning device. (B) is sectional drawing of the assembled state. In FIG. 11A, 31 is a cover substrate made of a transparent member such as glass, 42 is a first substrate having a
(第2の駆動方法)
本発明の光走査装置の共振点付近での振れ角θresは以下の式(4)で与えられる。
θres=(Trq/I)*K(f0,C) (4)
但し、K(f0、C)は、共振周波数f0、粘性抵抗Cの関数であり、f0、Cに反比例する。
(Second driving method)
The deflection angle θres near the resonance point of the optical scanning device of the present invention is given by the following equation (4).
θres = (Trq / I) * K (f0, C) (4)
However, K (f0, C) is a function of the resonance frequency f0 and the viscous resistance C, and is inversely proportional to f0 and C.
Kθ:捻りバネ定数
Trq:電極間静電トルク
I:ミラー慣性モーメント
C:粘性抵抗係数
K(f0,c)は、共振周波数f0=constとした場合、粘性抵抗係数cに反比例する。
Kθ: Torsion spring constant Trq: Electrostatic torque between electrodes I: Mirror inertia moment C: Viscous resistance coefficient K (f0, c) is inversely proportional to the viscous resistance coefficient c when the resonance frequency f0 = const.
図12に示すように、粘性抵抗は、圧力とほぼ比例関係にある。圧力が低くなると、粘性抵抗係数を小さくできる。そのため、K(f0,c)は大きくなり、振れ角θresは大きくなる。 As shown in FIG. 12, the viscous resistance is approximately proportional to the pressure. When the pressure is lowered, the viscous drag coefficient can be reduced. Therefore, K (f0, c) increases and the deflection angle θres increases.
駆動回路60は、第一の固定電極51,52に対しては、駆動信号62の2倍の周波数の駆動パルスを生成する。駆動回路60は、第二の固定電極53,54に対しては、駆動信号62と同じ周波数の駆動パルスを生成する。これらの駆動パルスにより、可動部44は、第一、第二の固定電極とミラー可動電極46間に発生する静電気力により振動を開始する。振動開始時は、固有振動数で振動を開始し、定常状態になると、駆動信号62の周波数と同じ周波数で振動する。
The
図13、14を参照して動作を説明する。可動電極46と第一の固定電極間51,52に発生する静電気力により加振される場合について説明する(図13(a))。可動電極46と第一の固定電極間に発生する静電気力は、可動部44を振動中心63に引き戻す方向の力が作用する。そのため、可動部44が中心に向かって回転するタイミングで印加することが出来る。可動部の振動は、中心に向かって動いている状態であるので、可動部の回転方向と一致し加速する。したがって、図14に示すように、駆動周波数の2倍の周波数の駆動信号で加振することが出来る。
The operation will be described with reference to FIGS. A case will be described in which vibration is applied by electrostatic force generated between the
次に、可動電極46と第二の固定電極間に発生する静電気力により加振される場合について説明する(図13(b))。可動電極46と第二の固定電極間に発生する静電気力は、可動電極44を振動中心に引き戻す方向の力を利用する。第二の固定電極53,54の場合、振動中心に対して電極配置が非対称である。可動部が中心に向かって運動するタイミングで印加する場合、可動部の振動一サイクルに対して一回の加振が出来る。これにより、ミラー33の振れ角を大きくできる。
Next, a description will be given of a case where vibration is applied by an electrostatic force generated between the
実施例2:
図15は、本発明の実施例2の構成を示す。図15において、42は第一の基板、43は第二の基板である。第一の基板42は、エッチングによる加工により、可動部44の両側面に捻りバネ45,45’が設けられている。また可動部44の両端面に可動電極46,46’が設けられ、それと対向して第一の固定電極(A),(B)を形成している。可動電極46、46’は櫛歯状に形成されている。第一の基板42は、分離溝49により、ミラーを有する可動部44と第一固定電極(A)51と第一固定電極(B)52に分割される。同じく第一固定電極(A),(B)は櫛歯状に形成されている。第二の基板43が、第一の基板42と絶縁層48を介して接合され、可動部44の揺動空間59が形成されている。第二の基板43は、分離溝49により、2つの第二固定電極(A)、(B)に分割される。第二固定電極(A),(B)は櫛歯状に形成され、第一、第二固定電極と可動電極は狭いギャップで、入れ子状態で対向している。
Example 2:
FIG. 15 shows the configuration of the second embodiment of the present invention. In FIG. 15, 42 is a first substrate and 43 is a second substrate. The
可動部の両端面に設けられた可動電極とそれに対向して各々設けられた第一の固定電極と、上記第一の固定電極と揺動方向に重ねて設けられた第二の固定電極は、それぞれ櫛歯形状をしているので、電極間の対向面積を大きくでき、また、静電気力は対向面積に比例するので、振動振幅を大きくできる。 A movable electrode provided on both end faces of the movable part, a first fixed electrode provided opposite to the movable electrode, and a second fixed electrode provided overlapping the first fixed electrode in the swinging direction, Since each has a comb-teeth shape, the facing area between the electrodes can be increased, and the electrostatic force is proportional to the facing area, so that the vibration amplitude can be increased.
実施例3:
図16は、本発明の実施例3の構成を示す。図16(a)は本発明の光走査装置を備えた光書き込み手段を示し、(b)は本発明の光走査装置を備えた画像形成装置を示す。図16において、本発明の光走査装置からなる光書き込み装置は、複数個の光走査装置40を主走査方向に配置されている。書き込み幅に対して、複数個の光走査装置40により書き込みを行う。85は半導体レーザーであり、画像信号生成装置(図示せず)による画像信号に基づき発光する。レーザー光86は光走査装置40に入射し、光走査装置のミラーにより偏向された反射レーザー光は感光体87に静電潜像を形成する。現像定着手段88により、感光体に形成された静電潜像は、被記録体搬送手段89により給送される記録紙にトナー像を生成する。
Example 3:
FIG. 16 shows the configuration of
本発明の光走査装置からなる光書き込み手段は、複数個の光走査装置を主走査方向に配置されている。レーザープリンタにおいて、一般的に用いられている光走査装置はポリゴンスキャナーである。本発明の光走査装置からなる光書き込み手段は、ポリゴンスキャナーに比較して、部品数が非常に少ないので、ローコスト化が期待できる。 The optical writing means comprising the optical scanning device of the present invention has a plurality of optical scanning devices arranged in the main scanning direction. In a laser printer, a commonly used optical scanning device is a polygon scanner. Since the optical writing means comprising the optical scanning device of the present invention has a very small number of parts compared to a polygon scanner, a reduction in cost can be expected.
42 第1の基板
43 第2の基板
44 可動部
45 梁
46 可動電極
51、52 第1の固定電極
53、54 第2の固定電極
42 1st board |
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