JP2007322466A - 光偏向器、及びそれを用いた光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度などの環境からの外乱があっても、比較的安定な駆動が可能な光偏向器を提供することである。
【解決手段】光偏向器は、振動系160と、振動系を駆動する駆動手段を有する。振動系160は、反射面22を持つ第1揺動可動子11と、第1ねじりバネ12と、第2揺動可動子13と、第2ねじりバネ14と、支持体15と、発熱素子19と、検出素子25a、25bを有する。第1揺動可動子11は、第2揺動可動子13に、第1ねじりバネ12で揺動軸を中心にねじり振動可能に支持され、第2揺動可動子13は、支持体15に、第2ねじりバネ14で揺動軸を中心にねじり振動可能に支持される。振動系160は、揺動軸回りに、周波数が異なる複数の固有振動モードを有する。振動系160上に発熱素子と検出素子を設け、複数の固有振動モードの周波数の安定化と走査状態の検出の安定化を可能とし、安定な正弦波合成駆動を可能とする。
【選択図】図5

Description

本発明は、光偏向器、及びそれを用いた画像形成装置、ディスプレイなどの光学機器に関する。この光偏向器は、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に利用されるものである。

従来から、光偏向器として、反射面を持つ可動子を正弦振動させて光を偏向する光走査系ないし光走査装置が種々提案されている。ここにおいて、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、次の様な特徴がある。すなわち、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。

この様な光偏向器は、用途によって一定周波数の駆動が望ましいものがあり、環境温度変化に対して周波数を一定に保つ手法がいくつか提案されている。例えば、弾性ねじり梁に可動板が弾性支持された振動子があり、この振動子に発熱部を設けて弾性ねじり梁を加熱することで、環境温度が変化しても弾性ねじり梁の温度を一定に保ち、共振周波数を安定化する技術がある。この際、周波数検出素子をねじり梁に設置し、周波数を検出する技術もある。（特許文献1、特許文献2参照）

また、2本で1対の弾性ねじり梁に可動板が弾性支持された振動子を、その部材より熱膨膨張率が大きい部材に固定することで、温度上昇と共に、剛性の変化を打ち消す向きに弾性ねじり梁に応力を生じさせ、共振周波数を安定化する技術もある。（特許文献3参照）

更に、シリコンに変形が生じるとその歪みによる応力に応じて電気抵抗が変化するというピエゾ抵抗効果が知られている。そして、シリコンに不純物を注入・拡散した拡散領域に形成された電気抵抗体を用いて、ピエゾ抵抗効果により変形を検出する技術がある。（非特許文献1参照）

一方、共振現象を利用した光偏向器の中で、2つ以上のねじり振動方向の固有振動モードを同時に励起させて、正弦波状の光走査以外の光走査を行う技術がある。これは、同一中心軸回りの2つ以上の固有振動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（特許文献4参照）。図15は、この文献に示された、2つの固有振動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ブロック図である。

この光偏向器1012は、第1可動子1014、第2可動子1016、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1023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1030によりねじり振動させられる。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1030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される。そのため、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。これにより、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。
特開平9−197334号公報 特開2004−69731号公報 特開2002−321195号公報 米国特許第4859846号公報 C. S. Smith, PHYSICAL REVIEW, Vol94, No 1, PP42-49, APRIL 1, 1954

上記特許文献4に記載の様な複数の揺動可動子と複数のねじりバネを有する振動系において、異なる周波数の正弦波合成駆動を行うため、駆動波形の個々の周波数成分について振幅と位相を所望の値としなければならない。しかし、実際の使用環境において、温度を代表とする環境からの外乱がある場合が多く、これらの値は変化しやすく、安定な駆動を得るのが困難であった。そこで、共振駆動を利用する振動系において、安定な正弦波合成駆動を可能とする構造の実現が望まれている。

上記課題に鑑み、光を偏向走査する本発明の光偏向器は、振動系と、該振動系を駆動する駆動手段を有する。ここで、前記振動系は、光偏向素子を有する第1揺動可動子と、第1ねじりバネと、第2揺動可動子と、第2ねじりバネと、支持体と、熱を発生する発熱素子と、機械的な変形を検出する検出素子を有する。前記第1揺動可動子は、前記第2揺動可動子に、第1ねじりバネで揺動軸を中心にねじり振動可能に弾性支持され、前記第2揺動可動子は、前記支持体に、第2ねじりバネで前記揺動軸を中心にねじり振動可能に弾性支持される。更に、前記振動系は、前記揺動軸回りに、周波数が異なる少なくとも2つの固有振動モードを有する。

また、上記課題に鑑み、本発明の光偏向器の駆動方法は、次のステップを含む。まず、前記検出素子の検出信号（これは、例えば、後述の相対測定によるものである）を用いて、前記発熱素子の発熱量を調整する。そして、この発熱量調整により、前記固有振動モードの周波数を目標周波数へ調整した後、前記検出素子の検出信号（これは、例えば、絶対値の検出信号である）を用いて、前記駆動手段を駆動する駆動信号の補正信号を生成する。

また、上記課題に鑑み、画像表示装置、画像形成装置などとして構成される本発明の光学機器は、光源と、上記の光偏向器と、感光体または画像表示体を有する。そして、前記光偏向器は、前記光源からの光を偏向し、該光の少なくとも一部を前記感光体または前記画像表示体上に入射させる。

本発明の光偏向器では、振動系が発熱素子と検出素子を有する。したがって、例えば、複数の固有振動モードを同時に励起させて光走査を行う光偏向器において、比較的安定な駆動を可能とする構造とできる。この様にできる詳細な理由については、本発明の実施形態の説明のところで後述されている。

以下、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態は、振動系上に発熱素子と機械的な変形を検出する検出素子を設け、複数の固有振動数の安定化と走査状態（可動子の振動状態）の検出の安定化を可能とし、安定な正弦波合成駆動を可能とするものである。

光源からの光を偏向走査する本実施形態の光偏向器は、振動系と、振動系を保持する固定体と、振動系を駆動する駆動手段（後述する実施例で説明する様に、磁石とコイルなどから構成される）を有する。本実施形態の振動系は、熱を発生する発熱素子と、機械的な変位を検出する検出素子と、光偏向素子である反射面を有する第1揺動可動子と、第2揺動可動子と、支持体を有する。第1揺動可動子は、第2揺動可動子に対して、弾性支持部である第1ねじりバネによって揺動軸を中心にねじり振動可能に弾性支持される。第2揺動可動子は、支持体に対して、弾性支持部である第2ねじりバネによって前記揺動軸を中心にねじり振動可能に弾性支持される。支持体は、固定体に固定される。また、振動系は、揺動軸回りに、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、駆動手段は、振動系を揺動軸回りに少なくとも2つの固有振動モードの周波数付近で同時にねじり振動させる。

本実施形態では、上記振動系を有する光偏向器において、熱を生じる発熱素子と、2つの揺動可動子のねじり振動に応じた機械的な歪みを検出する歪み検出素子を振動系上に直接設置している。ここで、発熱素子は、支持体と第1ねじりバネと第2ねじりバネのうちの少なくとも1つに設けられている。これにより、環境温度等の外的条件の変化が存在しても、振動系の温度を一定に保つことで、温度特性を有する振動系の固有振動モードの周波数と歪み検出素子の歪み量出力とを安定とするものである。

したがって、本実施形態では、振動系の温度を保つために、振動系以外の所に特別なセンサを設置することを必要としない。そして、振動系の固有振動モードの周波数の温度特性と、歪み検出素子の出力の温度特性を組み合わせて利用することにより、環境温度が変化しても振動系の温度を一定に保つことが可能となる。

後述する実施例のピエゾ抵抗体で構成される歪み検出素子の様に、歪み検出素子の歪み量出力の絶対値は、温度によって変化しやすいが、相対測定は、温度に依らず良好に行うことが可能である。ここで、相対測定とは、例えば歪みゼロとなるタイミングの測定や歪みの相対比較を行うことをさす。

また、振動系の固有振動モードの周波数は、振動系の温度と相関を有しており、周波数を測定することで温度を推定することが可能となる。

この様な2つの特性を活用して、本実施形態では、まず、振動系の固有振動モードの周波数が、光偏向器の使用される目標周波数となるように、発熱素子へ通電して発熱量を制御する。このとき、外部の温度センサ等を利用する代わりに、歪み検出素子を用いて固有振動モードの周波数を測定することで、発熱素子への通電量を制御する。

ここで、固有振動モードの周波数の測定を実行する方法には、種々の方法がある。単純には、発熱素子への通電量を一定とし、駆動手段の発生力も一定として、駆動信号の周波数を変化させて振動系を振動させることで行うことができる。この際、歪み検出素子の歪み量出力を比較して、その最大値が測定されたときの周波数が固有振動モードの周波数となる。

そして、固有振動モードの周波数が目標周波数に調整された状態では、振動系の固有振動モードの周波数の温度特性により、光偏向器は環境温度によらず常に決まった温度となっている。そのため、固有振動モードの周波数を目標周波数とした後は温度が一定になっているので、歪み検出素子の歪み量出力の絶対値に温度特性があっても、出力誤差が小さくなり、その出力が安定する。そこで、この安定な歪み量出力の絶対値を用いて、振動系に励起させる2つの周波数の振動の駆動信号の大きさ・位相等を目標の走査を実現するものとする補正信号を生成する。こうして、振動系の合成波駆動をより安定とすることができる。このことが、本発明において、振動系が発熱素子と検出素子を有することで、安定な駆動が可能となる理由である。

以上の様に、本実施形態は、振動系上に設置された発熱素子と歪み検出素子を用いて、2つの固有振動モードの周波数と歪み検出素子の歪み量出力を安定とし、合成波駆動を安定とするものである。

したがって、例えば、画像形成を行う際、光スポットを安定とでき、更に、光偏向器の後にレンズを配置する場合も、光走査の位置と速度の関係が安定となるため、良好な光走査ユニットを構成できる。

特に、本実施形態では、発熱素子を振動系に直接設置するので、加熱領域の熱容量を小さくでき、温度調節・安定化に要する時間も短くでき、消費電力も小さくできる。

次に、本発明の具体的な実施例について図面に沿って説明する。

（第1の実施例）
図1、図2、図5、図6等の図は本発明の光偏向器の第1の実施例を説明する図である。図1は上面図、図2（a）は、揺動軸17を通り紙面に垂直な平面で切った断面図、図2（b）は、図1のA−A線での断面図である。また、図5は、図1に示した振動系160の構成要素を更に詳細に説明する上面図、図6は、図5を裏面から見た構成を説明する上面図である。

初めに、本実施例の駆動原理について構成と共に説明する。本実施例では、図1に示した振動系160が、以下に説明する駆動手段により、揺動軸17を中心にねじり振動する。図1の振動系160の構成要素（第1揺動可動子11、第1ねじりバネ12、第2揺動可動子13、第2ねじりバネ14、支持体15）は、半導体製造方法のフォトリソグラフィとドライエッチングにより単結晶シリコン基板から一体形成されている。したがって、加工精度が高く、小型の振動系を形成することが可能となる。また、単結晶シリコンはヤング率が高く、密度が小さいため、揺動可動子の自重による変形が少なく、共振時の振幅増幅率が高い振動系を構成することができる。

本実施例では、第1揺動可動子11は、揺動軸17に垂直方向のサイズが3mm、それに平行な方向のサイズが1mmであり、振動系160の全長は約15mmである。そして、第1揺動可動子11は、2本で1対の第1ねじりバネ12により、揺動軸17中心にねじり振動可能に弾性支持される。同様に、第2揺動可動子13も、2本で1対の第2ねじりバネ14によって揺動軸17中心にねじり振動可能に弾性支持されている。以上の様に、第1揺動可動子11と第2揺動可動子13は、揺動軸17中心にねじり振動可能に直列に弾性支持されている。

また、第1揺動可動子11は、光を偏向するための光偏向子として、反射面22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。反射面22の材料はアルミニウムであり、真空蒸着により形成されている。反射面は、別の材質、例えば金、銅等でもよく、最表面に保護膜を形成してもよい。

ここで、第1揺動可動子11には反射面22が形成されるため、駆動時の平坦性が特に重要であるが、2本で1対のねじりバネ12で両端支持されることにより、1本の場合と比べ、自重による変形を抑え、平坦性を良好に保つことができる。

更に、図1、図2、図6は、固定体150と駆動手段を示している。図示の様に、本実施例の駆動手段は、第2揺動可動子13に接着された永久磁石151と、固定体150に固定された固定コイル152によって構成されている。図2、図6に示す様に、永久磁石151は、長さ約2mm、断面150μm×150μmの角柱の金属磁石である。永久磁石151の着磁方向はその長手方向である。永久磁石151は、接着剤により第2揺動可動子13に固定される。

また、図2（a）、（b）の様に、固定体150は、振動系160・永久磁石151の位置と固定コイル152の位置を適切に保持している。そして、固定コイル152は、駆動用の交流電流の通電により、図2（b）に示した矢印Hの方向に交流磁場を発生する。永久磁石151の磁束密度方向は矢印Bであるため、固定コイル152がつくる磁場により、揺動軸17まわりのトルクが発生し、振動系160を駆動することができる。また、図2（a）に示す様に、支持体15は、接着部分155において接着剤を用いて固定体150へ接着されている。図示の通り、本実施例の光偏向器は、2本で1対の第2ねじりバネ14がそれぞれ接続されている支持体15を固定する様に、2箇所の接着部分155を有している。

次に、本実施例の光偏向器の鋸波状の振動の駆動原理を更に詳細に説明する。本実施例の振動系160は、ねじり軸17を中心としたねじり振動について、周波数f₁の1次の固有振動モードと基準周波数の略2倍の周波数となるf₂の2次の固有振動モードを有している。この振動系160は、ねじり振動についての2自由度振動系として扱うことができる。

一方、応用の仕様から決定される目標駆動周波数である基準周波数f₀とその2倍の周波数2f₀との合成駆動信号によって、固定コイル152は振動系160を駆動する。基準周波数f₀と固有モード周波数f₁、f₂は以下に示す関係を有しており、本実施例の光偏向器は固有振動モードの高い動倍率（振幅増幅率）を利用して、合成波駆動を低消費電力で行う。

特に、固有モード周波数f₁は、基準周波数f₀の付近に設計される。ここで、1次と2次の固有振動モードのモード減衰比（動倍率の周波数特性曲線における固有モード周波数でのピークのシャープさを表し、ほぼ1/2Qに等しい）をγ₁、γ₂とすると、その範囲は以下の様になっている。

更に、本明細書では、固有モード周波数f₁、f₂の周波数比について以下の範囲を想定し、“略2倍”と称する。

加えて、本実施例では、周波数比は以下の範囲となっている。

本実施例の振動系160は、γ₁が0．001、γ₂が0．00025程度である。したがって、式1乃至式3から分かる様に、本実施例では、固定コイル152により、f₀、2f₀の振動が2つの固有振動モードのピーク付近で励起され振動系160が駆動される。特に、式1の範囲の場合、合成駆動の消費電力の主成分となる周波数f₀の振動について、1次の固有振動モードの動倍率（振幅増幅率）が高い範囲を利用できるため、光偏向器を低消費電力とできる。

更に、駆動の様子を詳しく説明する。
図3は、横軸を時間tとして、第1揺動可動子11の周波数f₀のねじり振動の変位角を説明する図である（本明細書においては、可動子の往復振動の変位角と、光偏向器によって偏向走査される光の変位角とは定数分が異なるのみであるので、等価的に扱う）。図は、特に第1揺動可動子11のねじり振動の1周期T₀に相当する部分を示している（−T₀／2＜X＜T₀／2）。

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f₀の成分を示しており、最大振幅±φ₁の範囲で往復振動し、時間t、角周波数w₀＝2πf₀として、次の式4で表される正弦振動である。
θ₁＝φ₁sin[w₀t] （式4）

一方、曲線62は、基準周波数f₀の2倍の周波数成分を示しており、最大振幅±φ₂の範囲で振動し、次の式5で表される正弦振動である。
θ₂＝φ₂sin[2w₀t] （式5）

曲線63は、この様な駆動の結果生じる第1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、前述の様に基準周波数f₀とその2倍の2f₀付近に調整された周波数f₁の固有振動モードと周波数f₂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θ₁、θ₂の駆動信号に励起された共振が夫々生じる。つまり、曲線63の第1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、次の式6で表される鋸波状の振動となる。
θ＝θ₁＋θ₂＝φ₁sin[w₀t]＋φ₂sin[2w₀t] （式6）

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f₀の正弦振動の角速度である曲線61aと比べ、第1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V₁、極小点の角速度V₂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V₁、V₂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。

この様に、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できる。更に、この鋸波状の駆動により、毎回の走査線が等間隔となるため、プリンタなどの応用において好適となる。

以上では、f₁とf₂の固有振動モードの周波数が略2倍の関係を有すると説明したが、略3倍とすることもできる。その場合、上記2つの周波数の関係が2倍であった場合と同様に正弦波の重ね合わせの振動により、三角波状の振動となる。これによれば、光走査の往復利用が可能になるため、利用できる或る周波数における走査線の数を2倍とできる。

ところで、単一の周波数による正弦振動を行う光偏向器の場合、走査振幅のみを所望の値とすれば、安定な走査を得ることができる。たとえ、固有振動モードの周波数がずれた場合でも、走査中心からの両端の最大振幅の対称性（走査の対称性）や、光走査の波形（すなわち正弦波）は殆ど変化しない。

しかし、複数の正弦波を合成させて本実施例の様に特徴的な駆動を行う振動系においては、合成する正弦波の個々の振幅と位相差が目標値からずれると走査振幅のみならず、走査の対称性や式6に示した鋸波状の走査波形にまで影響が生じる。

そこで、本実施例の式6の駆動を行うためには、次式におけるφ₁、φ₂、αの3変数を目標値とし、これらを安定に維持することが益々重要なこととなる。
θ＝θ₁＋θ₂＝φ₁sin[w₀t]＋φ₂sin[2w₀t＋α] （式7）

ここで、振動系160の2つの固有振動モードの周波数f₁、f₂と目標駆動周波数f₀、2f₀の周波数差によって、実際に励起される振幅と駆動信号からの位相遅れは異なる。したがって、固有振動モードの周波数f₁、f₂が変化すると、式7のΦ1、Φ2、αの3変数がそれぞれ変化してしまい走査波形が劣化してしまう。

特に、光偏向器は環境温度の影響を受け、振動系160を構成する部材のヤング率、体積、応力状態などが変化しやすい。これらの変化は、振動系160の固有振動モードの周波数f₁、f₂を変化させてしまう。例えば、本実施例の光偏向器では、1次の固有振動モードの周波数f₁の温度変化率（Δf₁/f₁）/ΔT＝160ppm/K、2次の固有振動モードの周波数f₂の温度変化率（Δf₂/f₂）/ΔT＝170ppm/Kが存在する。

この様に、環境温度の変化に対して、式7のφ₁、φ₂、αの3変数が変化するため、正弦波合成駆動が安定とならない。したがって、環境温度の変化に対して振動系160の温度を一定とできれば、正弦波合成駆動が安定となる。加えて、式7のφ₁、φ₂、αの3変数を正確に検出可能とできれば、これらの検出値に応じて、目標とする合成波走査となる様に駆動信号を補正することができる。そのため、より安定に駆動可能となる。

そこで、本実施例では、図5に示す様に、発熱素子であるヒータ線19と歪み検出素子25a、25bが振動系160に設けられている。

図5は、振動系160の詳細な構成要素を示す上面図である。特に、反射面22が形成される側の構成を示している。ヒータ線19は、支持体15上に図示の様に周回して形成されている。両端部には電極端子23が形成されており、電極端子23は、ヒータ線19へ電流を通電するための図示しない駆動電源回路に電気的に接続されている。また、第1ねじりバネ12と第2ねじりバネ14上には、歪み検出素子25a、25bがそれぞれ形成されている。歪み検出素子25a、25bはそれぞれ電極端子24と電気的に接続されている。そして、電極端子24は、図示しない駆動電源回路と検出回路に接続されている。

本実施例では、ヒータ線19はアルミニウムの薄膜抵抗である。次の様にしてヒータ線19を形成することができる。振動系160をドライエッチングする前工程で、アルミニウムを真空蒸着する。その後、フォトリソグラフィによりアルミニウム薄膜をパターニングし、図5に示す形状のヒータ線19を形成する。ヒータ線19へ通電することにより、電流量に応じた発熱が得られる。したがって、ヒータ線19によって振動系160全体の温度を変化させることができる。

ここで、振動系160は、単結晶シリコンで一体的に形成されているため熱伝導性に優れており、ヒータ線19の発熱を振動系160に良好に伝導することができる。また、支持体15のみにヒータ線19を形成することにより、機械的な変形が生じない個所にヒータ線19は形成されることとなり、ヒータ線19の断線を生じにくくできる。

図9（a）は、第1ねじりバネ12において歪み検出素子25aが形成されている箇所を拡大して示す上面図である。図示の様に、歪み検出素子25aは、4本のピエゾ抵抗体26a、26b、26c、26dが図10に示す様なホイートストンブリッジ回路を形成している。4本のピエゾ抵抗体26a、26b、26c、26dには、電気配線27が接続されており、図5に示した電極端子24と接続している。

図9（b）は、図9（a）のC−C線における断面を示している。ピエゾ抵抗体26cは、p型の単結晶シリコンである第1ねじりバネ12にリンを拡散した拡散抵抗体である。その上には、絶縁層28としてシリコンの酸化膜が形成されている。残り3本のピエゾ抵抗体26a、26b、26dについても、同様の断面構成である。また、第2ねじりバネ14に設置されている歪み検出素子25bも同様の構造を有している。したがって、歪み検出素子25a、25bは、上記の様な方法で同時に作製可能となるため、安価に製造することができる。

更に、振動系160を単結晶シリコンで構成することにより、第1ねじりバネ12と第2ねじりバネ14上にそれぞれ不純物を拡散した拡散抵抗を用いて、一体的に歪み検出素子を形成できる。そのため、安価に製造することができる。

次に、図10に示した歪み検出素子25aの等価回路図を用いて、揺動可動子の変位角の検出原理を詳細に説明する。図示の様に、4本のピエゾ抵抗体26a、26b、26c、26dは、ホイートストンブリッジ回路を構成している。そして、図9（a）に示す様に、ピエゾ抵抗体26a、26b、26c、26dは、揺動軸17に対して45°傾いて形成されている。したがって、第1ねじりバネ12が揺動軸17回りにねじり変位を受けると、ピエゾ抵抗体26a、26b、26c、26dの長手方向に大きな歪みが生じる。この様な歪みは、ピエゾ抵抗効果により4本のピエゾ抵抗体26a、26b、26c、26dの電気抵抗値を変化させる。

ここで、図10に示した等価回路において、ピエゾ抵抗体26a、26b、26c、26dは、歪みが無い状態では、R0の電気抵抗値を有している。そして、ピエゾ抵抗体26aと26c、ピエゾ抵抗体26bと26dは、配置の対称性から同じ方向と大きさの歪みを受ける。そこで、ピエゾ抵抗効果による歪みに応じた電気抵抗変化率をそれぞれξ1、ξ2とすれば、歪みを受けるピエゾ抵抗体26a、26b、26c、26dの電気抵抗値R1、R2、R3、R4はそれぞれ次式の様になる。

したがって、駆動電源電圧Viを図10に示す様にブリッジ回路に印加すると、歪みによる電気抵抗変化が出力電圧V0として、次式の様に出力される。

以上の様に、第1ねじりバネ12のねじり変位に応じて、出力電圧V0が得られる。そして、出力電圧V0を図示しない検出回路で測定することにより、第1ねじりバネ12のねじり変位を検出できる。同様の原理で、第2ねじりバネ14に設置される歪み検出素子25bも動作し、第2ねじりバネ14のねじり変位を検出することができる。したがって、歪み検出素子25a、25bの検出信号により、第1揺動可動子11と第2揺動可動子13の変位角を検出することができる。また、検出信号は変位角の時間変化に応じて出力されるため、図示しない検出回路によって、第1揺動可動子11、第2揺動可動子13の駆動周波数と固定コイル152の駆動信号からの位相遅れを検出することもできる。更に、固定コイル152を電流一定で異なる周波数で駆動し、歪み検出素子25a、25bの出力電圧V0を比べることにより、固有振動モードの周波数を検出することも可能である。

この様に、歪み検出素子をねじりバネに設置することにより、ねじりバネは、2つの揺動可動子の変位によって生じる機械的な歪みを大きく受ける個所であるため、上記変位角を効果的に検出することができる。

以上の様にして、歪み検出素子25a、25bによって、式7に示した正弦波合成駆動の3変数φ₁、φ₂、αと固有振動モードの周波数f₁、f₂が検出可能となる。しかし、歪み検出素子25a、25bの電気抵抗変化率ξ1、ξ2は、温度によって変化してしまう。そのため、環境温度の変化が生じると、歪みに対する出力電圧V0の絶対値は安定しない。したがって、環境温度の変化があると、式7のφ₁、φ₂などを正確に検出できない。

そこで、本実施例では、以下の様にして、環境温度の変化があっても、固有振動モードの周波数f₁、f₂を目標周波数付近で安定とすると共に、φ₁、φ₂、αの3変数を正確に検知できる様にしている。

まず、歪み検出素子25a、25bによる固有振動モードの周波数f₁、f₂の検出量を用いてヒータ線19の発熱量を調節することにより、常に目標駆動周波数f₀、2f₀付近に周波数f₁、f₂を調整する。ここで、固有振動モードの周波数f₁、f₂は上記出力電圧V0の比較を行って検出される。これは、環境温度の変化の影響を受ける出力電圧V0の絶対値の精度の影響を受けにくい相対的な検出量である。よって、この周波数調整は、環境温度の変化があっても正確に行うことが可能である。

この様に、ヒータ線19によって固有振動モードの周波数調整を行えば、光偏向器の温度と固有振動モードの周波数には良好な相関があるため、環境温度の変動があっても、光偏向器の温度は常にほぼ一定となる。したがって、固有振動モードの周波数f₁、f₂が良好に調整された後では、歪み検出素子25a、25bの電気抵抗変化率ξ1、ξ2もほぼ一定となる。こうして、周波数調整後は、φ₁、φ₂などの検出量も正確に得ることができる。そのため、これらの検出値に応じて、目標とする正弦波合成駆動となる様に駆動手段の駆動信号を補正することができる。

以上の様に、本実施例の光偏向器では、発熱素子であるヒータ線と歪み検出素子を用いることにより、環境温度変化があっても、良好な正弦波合成駆動を安定に行うことができる。

（第2の実施例）
図7、図8は本発明の光偏向器の第2の実施例を示す図である。図7は上面図、図8は揺動軸17を通り紙面に垂直な平面での断面を示す断面図である。これらの図面では、第1の実施例の要素と同じ機能を有する個所には同じ符号を付してある。以下、第1の実施例と同じ機能を有する個所の詳しい説明は省略し、特に異なる箇所について詳細に説明する。図7、図8に示す様に、本実施例の光偏向器では、振動系160の第1揺動可動子11、第1ねじりバネ12、第2揺動可動子13、第2ねじりバネ14、支持体15、反射面22は第1の実施例と同様の材質・構造・機能を有している。

振動系160の構成要素も図5、図6に示した第1の実施例のものと同様である。すなわち、図5、図6に図示の通り、第1ねじりバネ12、第2ねじりバネ14にはそれぞれ歪み検出素子25a、25bが設置されており、第1揺動可動子11、第2揺動可動子13の揺動に応じた歪みを検出することができる。また、支持体15にも図示の様にヒータ線19が設置されており、通電により発熱し、振動系160の温度を変化させることができる。

本実施例では、第1の実施例と異なり、第1ねじりバネ12、第2ねじりバネ14に揺動軸17方向の応力が伝達されにくい構造となっている。これにより、固有振動モードの周波数f₁、f₂をより安定とすることができる。

揺動軸17方向の応力が第1ねじりバネ12、第2ねじりバネ14に作用すると、それぞれの断面形状に応じてバネ定数が変化する。本実施例の第1ねじりバネ12、第2ねじりバネ14は長方形断面を有しており、その断面の縦横比が大きい場合、バネ定数は以下の様に近似される。

ここで、Kはねじりバネのバネ定数、Gは横弾性係数、σは揺動軸17方向の応力を示している。そして、図13（a）は、第2ねじりバネ14の上面図、図13（b）は、揺動軸17と垂直な平面で切断した断面を示した断面斜視図であり、図示の様に、式11中のLはねじりバネの長さ、tはねじりバネの幅、bはねじりバネの厚さをそれぞれ示している。

式11より、揺動軸方向の応力σが大きくなるとバネ定数Kは大きくなる。その係数は、ねじりバネの幅tと厚さbの比の2乗の項を含んでいる。本実施例の第1ねじりバネ12、第2ねじりバネ14は、厚さbは同一であるが、幅tは異なっているため、同じ応力σを受けた場合でもバネ定数の変化率はそれぞれ異なってしまう。したがって、応力σが第1ねじりバネ12、第2ねじりバネ14に伝達される場合、振動系160の固有振動モードの周波数f₁、f₂は応力σによってそれぞれ異なる変化率で変化することとなる。

そこで、本実施例の光偏向器では、固有振動モードの周波数f₁、f₂をより安定させるため、応力σを第1ねじりバネ12、第2ねじりバネ14へ伝達しない構造としている。その為に、次の様にしている。すなわち、図7、図8に示す様に、本実施例の接着部分155は、2本で1対の第2ねじりバネ14の片方と支持体15の接続点Eを通り揺動軸17に垂直なP−P線を境に、第1、第2揺動可動子11、13の形成箇所の反対側のみとなっている。この構造によれば、支持体15の接着部分155における接着剤の収縮、固定体150の変形、固定体150と振動系160の熱膨張差等の要因により振動系160に加わる揺動軸17方向の応力σは、支持体15以外に伝達しない。これにより、本実施例の第1ねじりバネ12、第2ねじりバネ14はこの応力を殆ど受けないことになる。

上述した構造を持つ本実施例の光偏向器では、1次、2次の固有振動モードの周波数f₁、f₂の温度変化率は共に（Δf/f）/ΔT＝−46ppm/Kである。この様な構造により、揺動軸17方向の応力σに起因する固有振動モードの周波数f₁、f₂の変化は殆ど生じないこととなる。したがって、周波数f₁、f₂をより安定とすることができる。

更に、固有振動モードの周波数の温度以外の変化要因を取り除いた構造となっているので、次の様になる。すなわち、固有振動モードの周波数調整を行うことによる光偏向器の温度安定化がより正確に達成されるため、本実施例の歪み検出素子25a、25bの出力もより安定とすることができる。そして、これらの検出値に基づき、目標とする正弦波合成駆動となる様に駆動手段の駆動信号をより精度良く補正できることとなる。

また、本実施例では、振動系160から熱伝導によって固定体150へ熱が放出される経路が、1箇所の接着部分155のみとなっている。したがって、2箇所の場合と比べて、熱抵抗が大きく温度調節のための消費電力をより小さくできる。

（第3の実施例）
図11（a）、（b）は、本発明の光偏向器の第3の実施例を示す図である。図11（a）は、振動系160の反射面22が形成されている側の構成を示す上面図、図11（b）は、その裏面を示す上面図である。これらの図面でも、第1の実施例の要素と同じ機能を有する個所に同じ符号を付している。以下、第1の実施例と同じ機能を有する個所の詳しい説明を省略し、特に異なる箇所について詳細に説明する。図11に示す様に、本実施例は、第1揺動可動子11、第1ねじりバネ12、第2揺動可動子13、第2ねじりバネ14、支持体15、反射面22は第1の実施例と同様の材質・構造・機能を有している。ただし、第1の実施例とは異なり、第1ねじりバネ12、第2ねじりバネ14はそれぞれ一本のみとなっている。ねじりバネを1本のみとすることにより、振動系160の揺動軸17方向の大きさを小型とすることができる。

また、振動系160から熱伝導によって固定体150へ熱が放出される経路が、1本のねじりバネのみとなっている。したがって、2本で1対の場合と比べて熱抵抗が大きく、温度調節のための消費電力を更に小さくできる。その上、支持体15も、第2ねじりバネ14が1本になることに伴って小さくてよいため、温度調節のための消費電力を更に小さくできる。

そして、第2の実施例と同様に、支持体15が、図示しない固定体150と1箇所の接着部分155のみを介して接着されている。したがって、揺動軸17方向の応力が第1ねじりバネ12、第2ねじりバネ14に伝達されない構造となっており、第2の実施例と同様の効果を有している。

本実施例では、図11（a）に示す様に、第1のヒータ線20、第2のヒータ線21、歪み検出素子25a、25bが、第1ねじりバネ12と第2ねじりバネ14にそれぞれ設置されている。ヒータ線、歪み検出素子は、第1の実施例と同様に、支持体15上に形成される図示しない電極端子を介して、駆動電源回路、検出回路にそれぞれ電気的に接続されている。本実施例では、発熱素子をねじりバネのみに設置して、光偏向器の温度変化により生じる固有振動モードの周波数変化に最も影響する個所の温度のみを効果的に調整可能な構造としている。

図12は、特に、第1ねじりバネ12において第1のヒータ線20と歪み検出素子25aが設置される箇所を拡大して示した上面図である。歪み検出素子25aは、第1の実施例と同様に、図10に示す4本のピエゾ抵抗体26a、26b、26c、26dで構成されるブリッジ回路である。また、第1のヒータ線20も、ピエゾ抵抗体26a、26b、26c、26dと同様に、p型シリコン基板にリンを不純物として拡散した拡散抵抗体で形成されている。したがって、第1のヒータ線20とピエゾ抵抗体26a、26b、26c、26dは、半導体製造工程で用いられる不純物拡散工程で同時に形成することができる。第2ねじりバネ14に設置される第2のヒータ線21と歪み検出素子25bについても、図12と同様な構成となっている。

また、第1のヒータ線20、第2のヒータ線21を設置しないで、歪み検出素子25a、25bに発熱素子を兼用させて用いることもできる。この場合、歪み検出のための駆動電圧Vi（図10参照）を変化させることにより4本のピエゾ抵抗体26a、26b、26c、26dからの発熱量を調節し、固有振動モードの周波数f₁、f₂を、目標とする駆動周波数f₀、2f₀へ調整する。これにより、歪み検出素子25a、25bの歪み検出の信号変換効率（電気抵抗変化率）が温度に依存しても、上記発熱量調節後はこれを常に一定とすることができる。

更に、歪み検出素子が発熱素子を兼ねる構造とすることにより、電気的な配線を減らすことができるため、図示しない電極端子の数も減少でき、振動系160を小型化できる。また、配線の工数を減らすことができるため、装置を安価に製造可能となる。配線の断線の恐れを少なくすることもできる。

（第4の実施例）
図14は、本発明の光偏向器を用いた光学機器の実施例を示す概略斜視図である。ここでは、光学機器として画像形成装置を示している。図14において、3003は本発明の光偏向器であり、本実施例では入射光を1次元に走査する。3001はレーザ光源である。3002はレンズ或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はドラム状の感光体である。

レーザ光源3001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いる。この強度変調光は、レンズ或いはレンズ群3002を通って、光走査系（光偏向器）3003により1次元的に走査される。この走査されたレーザ光は、書き込みレンズ或いはレンズ群3004により、感光体3005上に画像を形成する。

走査方向と直角な方向に回転軸の回りに回転される感光体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走査部分に静電潜像が形成される。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が形成され、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3003を用いることにより、光の偏向走査の角速度を感光体3005上の仕様範囲内で略等角速度とできる。更に、安定な駆動が可能な本発明の光偏向器3003を用いることで、安定な性能を持つ画像形成装置とできる。

本発明の第1の実施例の光偏向器を示す上面図である。 （a）は本発明の第1の実施例の光偏向器を示す断面図であり、（b）は本発明の第1の実施例の光偏向器を示す他の断面図である。 本発明の第1の実施例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の実施例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の実施例の振動系の反射面が形成される側の構成を示す上面図である。 本発明の第1の実施例の振動系の反射面が形成されない側の構成を示す上面図である。 本発明の第2の実施例の光偏向器を示す上面図である。 本発明の第2の実施例の光偏向器を示す断面図である。 （a）は本発明の歪み検出素子の例を示す上面図であり、（b）は本発明の歪み検出素子の例を構成する拡散抵抗体の断面図である。 本発明の歪み検出素子の例の等価回路図である。 （a）は本発明の第3の実施例の振動系の反射面が形成される側の構成を示す上面図であり、（b）は本発明の第3の実施例の振動系の反射面が形成されない側の構成を示す上面図である。 本発明の歪み検出素子の例とヒータ線の例を示す上面図である。 （a）は本発明の光偏向器の第2ねじりバネの例を示す上面図であり、（b）は本発明の光偏向器の第2ねじりバネの例の断面を示す断面斜視図である。 本発明の光偏向器を用いた光学機器の実施例を示す斜視図である。 従来例の光偏向器を示すブロック図である。

符号の説明

11 第1揺動可動子
12 第1ねじりバネ
13 第2揺動可動子
14 第2ねじりバネ
15 支持体
17 揺動軸
19、20、21 発熱素子（ヒータ線、第1のヒータ線、第2のヒータ線）
22 光偏向素子（反射面）
25a、25b 検出素子（歪み検出素子）
26a、26b、26c、26d 検出素子（ピエゾ抵抗体）
150 固定体
151 駆動手段（永久磁石）
152 駆動手段（固定コイル）
160 振動系
3001 光源（レーザ光源）
3003 光偏向器（光走査系）
3005 感光体

Claims (5)

1. 光を偏向走査する光偏向器であって、
   振動系と、該振動系を駆動する駆動手段を有し、
   前記振動系は、光偏向素子を有する第1揺動可動子と、第1ねじりバネと、第2揺動可動子と、第1ねじりバネと、支持体と、熱を発生する発熱素子と、機械的な変形を検出する検出素子を有し、
   前記第1揺動可動子は、前記第2揺動可動子に、前記第1ねじりバネで揺動軸を中心にねじり振動可能に弾性支持され、
   前記第2揺動可動子は、前記支持体に、前記第2ねじりバネで前記揺動軸を中心にねじり振動可能に弾性支持され、
   前記振動系は、前記揺動軸回りに、周波数が異なる少なくとも2つの固有振動モードを有する、
   ことを特徴とする光偏向器。
2. 前記発熱素子は、前記支持体と前記第1ねじりバネと前記第2ねじりバネのうちの少なくとも1つに設けられている、
   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、または略3倍である、
   ことを特徴とする請求項1または2に記載の光偏向器。
4. 請求項1に記載の光偏向器の駆動方法であって、
   前記検出素子の検出信号を用いて、前記発熱素子の発熱量を調整し、
   前記固有振動モードの周波数を目標周波数へ調整した後、前記検出素子の検出信号を用いて、前記駆動手段を駆動する駆動信号の補正信号を生成する、
   ことを特徴とする光偏向器の駆動方法。
5. 光源と、請求項1に記載の光偏向器と、感光体または画像表示体を有し、前記光偏向器は、前記光源からの光を偏向し、該光の少なくとも一部を前記感光体または前記画像表示体上に入射させる、
   ことを特徴とする光学機器。

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