JP2008116668A - アクチュエータ、光スキャナおよび画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可動板の共振周波数を変更することで所望の振動特性を発揮することのできるアクチュエータ、光スキャナおよび画像形成装置を提供すること。
【解決手段】本発明のアクチュエータ１は、長手形状をなす１対の軸部材２３、２４の捩り剛性を変更する剛性変更手段６を有している。剛性変更手段６は、１対の軸部材２３、２４のそれぞれに接合し、その長手方向に直交する方向成分を有する方向へ伸縮する１対の圧電素子６１、６２を有し、圧電素子６１、６２を伸縮させ、軸部材２３、２４の横断面形状を変化させることで１対の軸部材２３、２４の捩り剛性を変更するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータ、光スキャナおよび画像形成装置に関するものである。

例えば、レーザープリンタ等にて光走査により描画を行うための光スキャナとして、捩り振動子で構成されたアクチュエータを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特許文献１には、平面振動体と、平面振動体を支持するための固定部と、平面振動体と固定部とを連結する支持軸部材とを備える振動子と、固定部と接合し平面振動体と対向する基板とを有している。このようなアクチュエータには、基板の面上であって、平面振動体に対応する部分に導電層が設けられており、この伝導層と平面振動体の間に静電引力を発生させ、平面振動体を基板側（すなわち、平面振動体の面に対して垂直な方向）に変位させることで、支持軸部材のバネ定数を変更し平面振動体の共振周波数を変更するように構成されている。

しかし、特許文献１のアクチュエータでは、共振周波数を変更することにより平面振動体の回動中心軸がずれてしまう。そのため、光走査により描画を行う場合などには、レーザーなどの光を走査対象の所望の走査位置に照射させることができない。すなわち、特許文献１のアクチュエータは、所望の走査特性を発揮することができないという問題がある。

特開２００１−８２９６４号公報

本発明の目的は、可動板の共振周波数を変更することで所望の振動特性を発揮することのできるアクチュエータ、光スキャナおよび画像形成装置を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のアクチュエータは、可動板と、
前記可動板を回動可能に支持する長手形状をなす少なくとも１つの軸部材と、
前記可動板を回動させる駆動手段とを有し、
前記駆動手段を作動することにより、前記軸部材を捩り変形させて前記可動板を回動させるように構成されたアクチュエータであって、
前記軸部材の捩り剛性を変更する剛性変更手段を有し、
前記剛性変更手段は、前記軸部材に接合し、その長手方向に直交する方向成分を有する方向へ伸縮する少なくとも１つの圧電素子を有し、該圧電素子を伸縮させ、前記軸部材の横断面形状を変化させることで前記軸部材の捩り剛性を変更するように構成されていることを特徴とする。
これにより、前記可動板の回動中心軸を一定に保ちつつ、前記可動板の共振周波数を変更することができ、所望の振動特性を発揮することのできるアクチュエータを提供することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記駆動手段は、電圧を印加する電圧印加手段を備え、
前記剛性変更手段は、前記電圧の周波数と、前記可動板と前記軸部材とで構成される振動子の共振周波数とが等しくなるように前記軸部材の捩り剛性を変更することが好ましい。
これにより、前記可動板を安定的に、かつ、極めて大きく回動させることができるため、極めて優れた回動特性を発揮することのできるアクチュエータを提供することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記圧電素子は、前記軸部材の長手方向に直交する方向に伸縮することが好ましい。
これにより、前記軸部材の横断面形状を容易に変化させることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記圧電素子は、前記軸部材の長手方向に直交する方向の全域にわたって設けられていることが好ましい。
これにより、前記軸部材の横断面形状を大きくかつ容易に変化させることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記圧電素子は、前記軸部材の長手方向での中央部に設けられていることが好ましい。
これにより、省電力化を図りつつ、前記軸部材の横断面形状を大きく変化させることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記圧電素子と前記軸部材とは、前記軸部材の長手方向に直交する方向に間隔を隔てて設けられた１対の接合部を介して接合されていることが好ましい。
これにより、前記圧電素子を大きく伸縮させることができ、前記軸部材の横断面形状を大きく変形させることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記軸部材の幅は、該軸部材の厚さより大きいことが好ましい。
これにより、前記圧電素子の伸縮によって前記軸部材の横断面形状を容易に変化させることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記軸部材は、前記可動板を両持ち支持するように１対設けられており、
前記圧電素子は、前記１対の軸部材のうちの少なくとも一方の軸部材に接合していることが好ましい。
これにより、前記可動板の回動中心軸を一定に保ちつつ前記可動板を回動させることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記各軸部材には、前記圧電素子が少なくとも１つ接合されていることが好ましい。
これにより、前記各軸部材の横断面形状を変化させることができ、前記１対の軸部材の捩り剛性をより大きく変更することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記可動板は、その板面に光反射性を有する光反射部を備えていることが好ましい。
これにより、アクチュエータを光学デバイスに用いることができる。

本発明の光スキャナは、光反射性を有する光反射部を備える可動板と、
前記可動板を回動可能に支持する長手形状をなす少なくとも１つの軸部材と、
前記可動板を回動させる駆動手段とを有し、
前記駆動手段を作動することにより、前記軸部材を捩り変形させつつ前記可動板を回動させ、前記光反射部で反射した光を走査するように構成された光スキャナであって、
前記軸部材の捩り剛性を変更する剛性変更手段を有し、
前記剛性変更手段は、前記軸部材に接合し、その長手方向に直交する方向成分を有する方向へ伸縮する少なくとも１つの圧電素子を有し、該圧電素子を伸縮させ、前記軸部材の横断面形状を変化させることで前記軸部材の捩り剛性を変更するように構成されていることを特徴とする。
これにより、前記可動板の共振周波数を変更することができ、所望の走査特性を発揮することのできる光スキャナを提供することができる。

本発明の画像形成装置は、光反射性を有する光反射部を備える可動板と、
前記可動板を回動可能に支持する長手形状をなす少なくとも１つの軸部材と、
前記可動板を回動させる駆動手段とを有し、
前記駆動手段を作動することにより、前記軸部材を捩り変形させつつ前記可動板を回動させ、前記光反射部で反射した光を走査するように構成された光スキャナを備えた画像形成装置であって、
前記軸部材の捩り剛性を変更する剛性変更手段を有し、
前記剛性変更手段は、前記軸部材に接合し、その長手方向に直交する方向成分を有する方向へ伸縮する少なくとも１つの圧電素子を有し、該圧電素子を伸縮させ、前記軸部材の横断面形状を変化させることで前記軸部材の捩り剛性を変更するように構成されていることを特徴とする。
これにより、優れた描画特性を発揮することのできる画像形成装置を提供することができる。

以下、本発明のアクチュエータ、光スキャナおよび画像形成装置の好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
＜第１実施形態＞
まず、本発明のアクチュエータの第１実施形態を説明する。
図１は、本発明のアクチュエータの第１実施形態を示す斜視図、図２は、図１中のＡ−Ａ線断面図、図３は、図１中のＢ−Ｂ線断面図、図４は、軸部材の変形を説明すための図、図５は、制御系を説明するためのブロック図である。なお、図１中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言い、図２、図３および図４中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。また、図１中に示すように、互いに直交する３軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とし、Ｘ軸と平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸と平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸と平行な方向を「Ｚ軸方向」とする。

アクチュエータ１は、図１に示すような基体２と、接合層４を介して基体２を支持する支持基板３と、１対の軸部材２３、２４の捩り剛性を変更する剛性変更手段６と、可動板２１を回動させるための駆動手段７とを有している。
基体２は、図１に示すように、可動板２１と、可動板２１を両持ち支持する１対の軸部材２３、２４と、１対の軸部材２３、２４を支持する支持部２２とを備えている。このような基体２を備えるアクチュエータ１は、１対の軸部材２３、２４を捩り変形させることで可動板２１を回動させるように構成されている。

可動板２１の上面（支持基板３と反対側の面）には、光反射性を有する光反射部２１１が設けられており、下面には、後述する磁石７１が設けられている。そして、このような可動板２１は、１対の軸部材２３、２４により両持ち支持されている。
軸部材２３は、長手形状をなし、支持部２２に対して可動板２１を回動可能とするように、支持部２２と可動板２１とを連結している。この軸部材２３の幅（Ｙ軸方向での長さ）は、その厚さ（Ｚ軸方向での長さ）よりも大きい。このように軸部材２３を形成することにより、軸部材２３をＺ軸方向へ撓みやすくすることができるため、後述する圧電素子６１の伸縮により、軸部材２３の横断面形状を容易に変化させることができる。

同様に、軸部材２４は、長手形状をなし、支持部２２に対して可動板２１を回動可能とするように、支持部２２と可動板２１とを連結している。この軸部材２４の幅は、その厚さよりも大きい。このように軸部材２４を形成することにより、軸部材２４をＺ軸方向へ撓みやすくすることができるため、後述する圧電素子６２の伸縮により、軸部材２４の横断面形状を容易に変化させることができる。
ここで、軸部材２３、２４の大きさや形状などによっても異なるが、軸部材２３、２４の幅をＷとし、厚さをＨとしたとき、Ｈ／Ｗが、１／５〜１／２程度であることが好ましい。このような関係を満たすことにより、圧電素子６１、６２の伸縮によって、軸部材２３、２４の横断面形状をより容易に変化させることができる。

このような１対の軸部材２３、２４は、同軸的に設けられており、この軸を回動中心軸Ｘ（以下、「Ｘ軸」ともいう）として可動板２１が支持部２２に対して回動する。なお、１対の軸部材２３、２４は、互いに同一形状、同一寸法をなしている。
支持部２２は、可動板２１の平面視にて、可動板２１の外周を囲むように形成された枠状をなしている。なお、支持部２２の形状は、特に限定されず、例えば、図１中の左右で分割しているようなものであってもよい。

このような基体２を備えるアクチュエータ１は、後述する駆動手段７を作動することにより、１対の軸部材２３、２４のそれぞれを捩り変形させて、可動板２１を回動中心軸Ｘまわりに回動させるように構成されている。すなわち、このようなアクチュエータ１は、可動板２１と１対の軸部材２３、２４とで構成される振動系（振動子）を有している。
このような基体２は、例えば、シリコンを主材料として構成されていて、可動板２１と、支持部２２と、１対の軸部材２３、２４とが一体的に形成されている。例えば、シリコン基板を用意し、可動板２１と、支持部２２と、１対の軸部材２３、２４のそれぞれの平面視形状に対応するようにマスクを形成し、このマスクを介してエッチングすることにより、可動板２１と、支持部２２と、１対の軸部材２３、２４とが一体的に形成された基体２を得ることができる。また、このように、シリコンを主材料とすることで、優れた回動特性を実現できるとともに、優れた耐久性を発揮することができる。また、微細な処理（加工）が可能であり、アクチュエータ１の小型化を図ることができる。
なお、基体２は、ＳＯＩ基板等の積層構造を有する基板から、可動板２１と、支持部２２と、１対の軸部材２３、２４とを形成したものであってもよい。その際、可動板２１と、支持部２２と、１対の軸部材２３、２４とが一体となるように、これらを積層構造基板の１つの層で構成するのが好ましい。

以上、説明した基体２は、接合層４を介して支持基板３により支持されている。
支持基板３は、支持部２２の平面視形状と一致するように形成されている。すなわち、支持基板３は、枠状をなし、その内壁で空間３１が画成されている。この空間３１は、アクチュエータ１の駆動の際に、可動板２１が支持基板３に接触するのを防止する逃げ部を構成する。なお、支持基板３の形状としては、可動板２１の回動を許容することができれば特に限定されない。また、支持部２２の形状などによっては、支持基板３を省略してもよい。

このような支持基板３は、例えば、ガラスやシリコンを主材料として構成されている。また、接合層４は、例えば、ガラス、シリコン、またはＳｉＯ_２を主材料として構成されている。シリコンを主材料として支持基板３を形成する場合には、例えば、ＳＯＩ基板（その厚さ方向に、Ｓｉ層とＳｉＯ_２層とＳｉ層とが積層されている基板）を用いて、その一方のＳｉ層で基体２を形成し、ＳｉＯ_２層で接合層４を形成し、他方のＳｉ層で支持基板３を形成することにより、基体２と支持基板３と接合層４とを一体的に形成することができる。
そして、この支持基板３の下面には、例えば、ガラスやシリコンを主材料として構成された板状をなす基板５が接合されている。ただし、このような基板５の形状としては、特に限定されず、支持基板３の形状などによっては基板５を省略してもよい。

次に、可動板２１を駆動させるための駆動手段７について説明する。
駆動手段７は、図２に示すように、可動板２１の下面に設けられた板状の磁石７１と、基板５の上面であって磁石７１と対向する部位に設けられたコイル７２と、コイル７２に電圧を印加する電源回路（電圧印加手段）７３とを備えている。
磁石７１は、可動板２１の板面に沿って設けられており、Ｙ軸方向に磁化されている。すなわち、磁石７１の平面視にて、磁石７１の回動中心軸Ｘに対して一方の側がＮ極、他方の側がＳ極となるように磁石７１が設けられている。このような磁石７１としては、特に限定されないが、ネオジウム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石などの永久磁石を用いるのが好ましい。これにより、電磁石の様に電気配線を形成する必要がなく、アクチュエータ１の製造の簡易化を図ることができる。なお、以下、説明の便宜上、回動中心軸Ｘに対して図３中左側の部分をＳ極とし、図３中右側の部分をＮ極とした場合について代表して説明する。

コイル７２は、電源回路７３に接続されており、例えば、この電源回路７３によりコイル７２へ交流電圧を印加すると、コイル７２付近に磁石７１の板面に対して垂直方向の磁力を有する磁界が発生し、その磁界の向きが交互に切り替わる。
これにより、図３にて、磁石７１の回動中心軸Ｘに対して右側の部分がコイル７２に接近する方向に変位するとともに、磁石７１の回動中心軸Ｘに対して左側の部分がコイル７２から離間する方向へ変位する状態（「第１の状態」という）と、磁石７１の回動中心軸Ｘに対して右側の部分がコイル７２から離間する方向に変位するとともに、磁石７１の回動中心軸Ｘに対して左側の部分がコイル７２に接近する方向へ変位する状態（「第２の状態」という）とが、交互に繰り返される。

このような第１の状態と第２の状態とを交互に繰り返すことにより可動板２１を回動中心軸Ｘまわりに回動させることができる。なお、本実施形態では、電源回路７３によりコイル７２へ交流電圧を印加するものについて説明したが、可動板２１を回動させることができれば、これに限定されず、例えば、電源回路７３によりコイル７２へ直流電源を間欠的に印加するように構成されていてもよい。

ここで、アクチュエータ１の駆動に際し、電源回路７３によってコイル７２へ印加する電圧の周波数（以下、「駆動周波数」という）と、可動板２１と１対の軸部材２３、２４とで構成されている振動子の共振周波数（以下、単に「共振周波数」という）とが一致している（等しい）ことが好ましい。これにより、可動板２１を安定的に、かつ、極めて大きく回動させることができる。なお、共振周波数は、可動板２１の質量（光反射部２１１および磁石７１の質量を含む）および／または１対の軸部材２３、２４のバネ定数（捩り剛性）が変化することにより変化する。そこで、アクチュエータ１は、１対の軸部材２３、２４の捩り剛性（バネ定数）を変更することで、共振周波数を変更する剛性変更手段（バネ定数変更手段）６を備えている。

剛性変更手段６は、図１および図２に示すように、軸部材２３上に接合され、Ｙ軸方向（可動板２１の平面視にて軸部材２３の長手方向に直交する方向）へ伸縮する圧電素子６１と、軸部材２４上に接合され、Ｙ軸方向へ伸縮する圧電素子６２と、圧電素子６１と圧電素子６２とに電圧を印加するための圧電素子駆動ドライバ６３とを備えている。そして、剛性変更手段６は、圧電素子駆動ドライバ６３により圧電素子６１、６２に電圧を印加し、圧電素子６１、６２を伸縮させることで、軸部材２３、２４の圧電素子６１、６２が接合している部位付近での横断面形状を変化させるように構成されている。

圧電素子６１は、図１に示すように、軸部材２３の長手方向でのほぼ中央部に設けられており、かつ、軸部材２３の幅方向（すなわち、Ｙ軸方向）での全域にわたって形成されている。同様に、圧電素子６２は、軸部材２４の長手方向でのほぼ中央部に設けられており、かつ、軸部材２４の幅方向での全域にわたって形成されている。軸部材２３の長手方向での中央部は、例えば、長手方向での端部に比べて変形させやすいため、軸部材２３、２４の中央部に圧電素子６１、６２を設けることにより、省電力化を図りつつ、軸部材２３、２４の横断面形状を大きく変化させることができる。

また、圧電素子６１は、軸部材２３の幅方向の全域にわたって形成されているため、軸部材２３の横断面形状をより大きく変化させることができる。さらに、Ｙ軸に直交し、かつ、回動中心軸Ｘを通る面に対して軸部材２３の横断面形状が対称となるように軸部材２３を変形させることができる。同様に、圧電素子６２は、軸部材２４の幅方向の全域にわたって形成されているため、軸部材２４の横断面形状をより大きく変化させることができる。さらに、Ｙ軸に直交し、かつ、回動中心軸Ｘを通る面に対して軸部材２４の横断面形状が対称となるように軸部材２４を変形させることができる。その結果、可動板２１を安定的に回動させることができる。

なお、圧電素子６１、６２は、軸部材２３、２４の幅方向の全域にわたって形成されていなくてもよく、幅方向の一部に形成されても、圧電素子６１、６２の伸縮により、軸部材２３、２４の横断面形状を変化させることができる。
また、１対の軸部材２３、２４のそれぞれに圧電素子を接合することで、１対の軸部材２３、２４のそれぞれの横断面形状を変化させることができ、１対の軸部材２３、２４の捩り剛性をより大きく変更することができる。また、圧電素子６１と圧電素子６２とを同程度伸縮させることで、軸部材２３の捩り剛性と、軸部材２４の捩り剛性とをほぼ等しくすることができるため、可動板２１を安定的に回動させることができる。

また、前述したように、軸部材２３は、その幅がその厚さよりも大きくなるように形成されているため、圧電素子６１の収縮によって軸部材２３の横断面形状を容易に変化させることができる。
ここで、圧電素子６１、６２について（構成や軸部材との接合状態などについて）詳述するが、圧電素子６１、６２は、互いに同様の構成であるため、圧電素子６１について代表して説明し、圧電素子６２については、その説明を省略する。

圧電素子６１は、図２ないし図４に示すように、圧電材料を主材料として構成された圧電体層６１１と、この圧電体層６１１を挟持する１対の電極６１２、６１３とを有している。
圧電体層６１１を構成するための圧電材料としては、例えば、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、その他、各種のものが挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができるが、特に、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウムおよびチタン酸ジルコン酸鉛のうちの少なくとも１種を主とするものが好ましい。このような材料で圧電体層６１１を構成することにより、より高い周波数でアクチュエータ１を駆動することができる。

電極６１２は、圧電体層６１１の下面を覆うように設けられ、電極６１３は、圧電体層６１１の上面を覆うように設けられている。そして、電極６１２と電極６１３とは、それぞれ、圧電素子駆動ドライバ６３に接続されている。
このような電極６１２、６１３を構成するための材料としては、導電性を有するものであれば、特に限定されず、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｕまたはこれらを含む合金等の導電性材料、ＩＴＯ、ＦＴＯ、ＡＴＯ、ＳｎＯ_２等の導電性酸化物、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレン等の炭素系材料、ポリアセチレン、ポリピロール、ＰＥＤＯＴ（ｐｏｌｙ−ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉｏｘｙｔｈｉｏｐｈｅｎｅ）のようなポリチオフェン、ポリアニリン、ポリ（ｐ−フェニレン）、ポリフルオレン、ポリカルバゾール、ポリシランまたはこれらの誘導体等の導電性高分子材料等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。なお、前記導電性高分子材料は、通常、酸化鉄、ヨウ素、無機酸、有機酸、ポリスチレンサルフォニック酸などの高分子でドープされ導電性を付与された状態で用いられる。これらの中でも、電極６１２、６１３を構成するための材料としては、Ａｌ、Ａｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｔまたはこれらを含む合金を主とするものが好適に用いられる。これらの金属材料を用いると、電解あるいは無電解メッキ法を用いて、容易かつ安価に電極６１２、６１３を形成することができる。

そして、圧電素子駆動ドライバ６３により電極６１２と電極６１３との間に電圧を印加すると、圧電体層６１１は、その圧電効果により、Ｙ軸方向に伸縮する。
なお、本実施形態のように電極６１２と電極６１３とが直接圧電素子駆動ドライバ６３に接続されていなくてもよく、例えば、電極６１２と接続した端子、および、電極６１３と接続した端子のそれぞれを支持部２２に形成し、この１対の端子と圧電素子駆動ドライバ６３とを接続するように構成されているものでもよい。

このような圧電素子６１は、図３に示すように、Ｙ軸方向に間隔を隔てて設けられた１対の接合部１０１、１０２を介して軸部材２３に接合されている。そして、１対の接合部１０１、１０２の間には、圧電素子６１の下面と軸部材２３の上面とで空間１０３が画成されている。すなわち、１対の接合部１０１、１０２の間には、圧電素子６１と軸部材２３とが接触していない非接触部が形成されている。

このような構成とすることで、圧電素子６１を収縮させた場合には、図４（ａ）に示すように、接合部１０１と接合部１０２とが互いに接近するように変位し、それに伴って、軸部材２３の幅方向での中央部が下側に凸となるように湾曲（変形）する。この時、圧電素子６１のうちの空間１０３に対応する部分を自由に（圧電素子６１を単独で収縮させる場合と同程度に）収縮させることができるため、圧電素子６１を大きく収縮させることができる。

一方、圧電素子６１を伸張させた場合には、図４（ｂ）に示すように、接合部１０１と接合部１０２とが互いに離間するように変位し、それに伴って、軸部材２３の幅方向での中央部が上側に凸となるように湾曲する。この時、圧電素子６１のうちの空間１０３に対応する部分を自由に伸張させることができるため、圧電素子６１を大きく伸張させることができる。

以上のようなことから、１対の接合部１０１、１０２を介して圧電素子６１と軸部材２３とを接合することで、圧電素子６１を大きく伸縮させることができ、軸部材２３の横断面形状を大きく変形させることができる。
ここで、１対の接合部１０１、１０２を構成する材料としては、圧電素子６１と軸部材２３とを接合することができれば、特に限定されないが、各種有機材料、各種無機材料を用いることができる。

有機材料としては、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂、メタクリル系樹脂等のビニル系樹脂、ポリエステル系樹脂、エポキシ樹脂、エポキシ樹脂などの優れた接着性を有する樹脂材料（接着剤）を用いることが好ましい。
無機材料としては、例えば、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｃｕまたはこれらを含む合金等の金属材料、ＩＴＯ、ＦＴＯ、ＡＴＯ、ＳｎＯ_２等の導電性酸化物、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、フラーレン等の炭素系材料、ポリアセチレン、ポリピロール、ＰＥＤＯＴのようなポリチオフェン、ポリアニリン、ポリ（ｐ−フェニレン）、ポリフルオレン、ポリカルバゾール、ポリシランまたはこれらの誘導体等の導電性高分子材料、などの導電性材料を用いることが好ましい。この中でも、特に、電極６１２の構成材料と同種の材料を用いることが好ましい。これにより、接合部１０１、１０２を介して電極６１２に通電することができるとともに、接合部１０１、１０２と電極６１２とを強固に接合することができる。また、例えば、軸部材２３の上面に金属膜を形成することにより、この金属膜および接合部１０１、１０２を介して電極６１２に通電することができるため、アクチュエータ１の設計の自由度を向上させることができる。

なお、１対の接合部１０１、１０２は、圧電素子６１と軸部材２３とが直接接合することにより形成されているものであってもよい。圧電素子６１と軸部材２３とを直接接合させる場合には、例えば、表面活性化接合などの接合方法を用いることができる。
また、１対の接合部１０１、１０２の間において、圧電素子６１の下面と軸部材２３の上面とが接触していてもよい。この場合には、この接触する部分で圧電素子６１と軸部材２３とが接合していてもよいし（すなわち、圧電素子６１の下面の全域が軸部材２３に接合していてもよい。）、非接合であってもよい。

以上、説明した剛性変更手段６は、圧電素子駆動ドライバ６３により圧電素子６１、６２に電圧を印加し、圧電素子６１、６２を伸縮させることで、軸部材２３、２４の横断面形状を変化させ、１対の軸部材２３、２４の捩り剛性を変更することにより共振周波数を変更するように構成されている。これにより、回動中心軸Ｘを一定に保ちつつ、所望の共振周波数で可動板２１を回動させることができるため、アクチュエータ１は、所望の振動特性を発揮することができる。また、回動中心軸Ｘを一定に保ちつつ、共振周波数を変更することができるため、アクチュエータ１を光スキャナなどの光学デバイスとして用いた場合には、図示しない光源から照射され光反射部２１１で反射された光を走査対象の所望の走査位置に走査させることができ、優れた走査特性を発揮することができる。また、このような剛性変更手段６によれば、アクチュエータ１が駆動している最中（例えば光走査中）であってもリニアに１対の軸部材２３、２４の捩り剛性を変更することができる。すなわち、例えば、長時間の使用によってアクチュエータ１が昇温し、それに伴って、１対の軸部材２３、２４の捩り剛性が変化してしまうような場合であっても、剛性変更手段６により１対の軸部材２３、２４の捩り剛性を所望の値に維持することができるため（すなわち共振周波数を所望の値に維持することができるため）、アクチュエータ１は、優れた回動特性を発揮することができる。

アクチュエータ１は、図５に示すように、共振周波数を検出する共振周波数検出手段８２と、前述したような剛性変更手段６の駆動を制御する制御手段８１とを備えている。そして、例えば、電源電投入直後に共振周波数を共振周波数検出手段８２により検出し、その検出された共振周波数に基づいて制御手段８１が圧電素子駆動ドライバ６３の駆動を制御する。制御手段８１は、例えば、共振周波数と駆動周波数とが一致するまで、圧電素子駆動ドライバ６３から圧電素子６１、６２へ印加する電圧を徐々に高くしていき（すなわち、圧電素子６１、６２の横断面形状を徐々に変化させ）、共振周波数と駆動周波数とが一致したところで圧電素子駆動ドライバ６３の電圧値を維持するように制御する。このようにして、アクチュエータ１は、共振周波数を調整することができる。

すなわち、アクチュエータ１は、共振周波数と駆動周波数とが一致するように、剛性変更手段６が共振周波数を変更（調整）するように構成されている。これにより、可動板２１を安定的に、かつ、極めて大きく回動させることができる。なお、共振周波数検出手段８２としては、特に限定されず、例えば、コイル７２に印加する電圧の周波数をＦＦＴアナラーザーにより変更しながら、可動板２１の振幅を周波数ＬＤＶ（レーザードップラーベロシティ流速計）で測定することにより、可動板２１の共振周波数を測定してもよい。

また、電源投入直後に共振周波数を共振周波数検出手段８２により検出しなくてもよく、例えば、電源投入後、一定時間ごとに共振周波数を検出してもよく、また、常時、共振周波数を検出してもよい。
また、制御手段８１は、圧電素子駆動ドライバ６３の電圧を徐々に高くしていくように圧電素子駆動ドライバ６３を制御する必要はなく、例えば、共振周波数と駆動周波数との差に対応した電圧値があらかじめ複数設定されており、共振周波数検出手段８２の検出結果に基づいて複数の電圧値から選択された電圧値を印加するように圧電素子駆動ドライバ６３を制御するものであってもよい。

＜第２実施形態＞
次に、本発明のアクチュエータの第２実施形態について説明する。
図６は、本発明のアクチュエータの第２実施形態を示す斜視図である。
以下、第２実施形態のアクチュエータ１Ａについて、前述した第１実施形態のアクチュエータ１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

本発明の第２実施形態にかかるアクチュエータ１Ａは、軸部材２３Ａ、２４Ａの構成、および、圧電素子６１、６２の配置が異なる以外は、第１実施形態のアクチュエータ１とほぼ同様である。なお、圧電素子６１と圧電素子６２、および、軸部材２３Ａと軸部材２４Ａのそれぞれは、互いに同様の構成であるため、圧電素子６１および軸部材２３Ａの構成について代表して説明し、圧電素子６２および軸部材２４Ａの構成については、その説明を省略する。

軸部材２３Ａの長手方向での中央部付近には、図６に示すように、その厚さ方向（Ｚ軸方向）へ貫通する貫通孔（空間）２３１Ａが形成されている。すなわち、軸部材２３Ａは、その中央部に、回動中心軸Ｘを介して互いに対向するように設けられた１対の弾性部２３２Ａ、２３３Ａを備えている。貫通孔２３１Ａは、可動板２１の平面視にて、四角形状をなしている。なお、貫通孔２３１Ａの形状としては、特に限定されない。

そして、圧電素子６１は、この貫通孔２３１Ａ内に設けられており、Ｙ軸方向へ伸縮する。具体的には、貫通孔２３１Ａの壁面と圧電素子６１の伸縮方向での両端面とが接合している。言い換えれば、弾性部２３２Ａの貫通孔２３１Ａに臨む側面と圧電素子６１の伸縮方向での一方の端面とが接合し、弾性部２３３Ａの貫通孔２３１Ａに臨む側面と圧電素子６１の伸縮方向での他方の端面とが接合している。

そして、圧電素子６１を伸縮し、１対の弾性部２３２Ａ、２３３Ａの離間距離を変化させることで軸部材２３Ａの横断面形状を変化させる。これにより、軸部材２３Ａの捩り剛性を変更することができる。
例えば、圧電素子６１を伸張させると、１対の弾性部２３２Ａ、２３３Ａの離間距離が大きくなるため軸部材２３の平面視形状が変化し、それに伴い、軸部材２３Ａの捩り剛性が高くなる。また、１対の弾性部２３２Ａ、２３３Ａの変形に伴って、軸部材２３Ａが長手方向へ収縮しようとするため、軸部材２３Ａにかかる張力が大きくなり、この点でも、軸部材２３の捩り剛性が高くなる。

すなわち、圧電素子６１を伸張させると、軸部材２３Ａの横断面形状を変化させることと、軸部材２３Ａにかかる張力を変化させることとの双方の作用により、軸部材２３Ａの捩り剛性を高くすることができる。これにより１対の軸部材２３Ａ、２４Ａの捩り剛性をより高くすることができる。このようなことから、本実施形態のアクチュエータ１Ａのような場合には、あらかじめ、可動板２１の共振周波数が駆動周波数よりも若干低くなるように設計されていることが好ましい。

なお、本実施形態では、貫通孔２３１Ａ内に圧電素子６１を配置したものについて説明したが、軸部材２３Ａの横断面積を変化させることができれば、これに限定されず、例えば、可動板２１の平面視にて、弾性部２３２Ａと弾性部２３３Ａとを連結（橋渡し）するように圧電素子６１を配置してもよい。すなわち、圧電素子６１の伸縮方向での一端部と弾性部２３２Ａの上面とが接合し、他端部と弾性部２３３Ａの上面とが接合しているものであってもよい。

＜第３実施形態＞
次に、本発明のアクチュエータの第３実施形態について説明する。
図７は、本発明のアクチュエータの第３実施形態を示す斜視図である。
以下、第３実施形態のアクチュエータ１Ｂについて、前述した第１実施形態のアクチュエータ１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

本発明の第３実施形態にかかるアクチュエータ１Ｂは、可動板２１を片持ち支持している以外は、第１実施形態のアクチュエータ１とほぼ同様である。
すなわち、アクチュエータ１Ｂは、可動板２１と、可動板２１を回動可能に支持する軸部材２３と、軸部材を支持する支持部２２とを備えている。そして、圧電素子６１が１対の接合部１０１、１０２を介して軸部材２３に接合されている。

そして、駆動手段７を作動することにより、軸部材２３を捩り変形させつつ可動板２１を回動中心軸Ｘまわりに回動させるように構成されている。このように、可動板２１を片持ち支持する構成とすることにより、アクチュエータ１Ｂの小型化を図ることができる。
このような第３実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

以上、本発明のアクチュエータについて説明した。このアクチュエータには、光反射部が設けられているため、アクチュエータを光スキャナ、光スイッチ、光アッテネータなどの光学デバイスに用いることができる。
本発明の光スキャナは、本発明のアクチュエータと同様の構成である。なお、本発明の光スキャナの実施形態としては、前述した実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。このような光スキャナは、例えば、プロジェクタ、レーザープリンタ、イメージング用ディスプレイ、バーコードリーダー、走査型共焦点顕微鏡などの画像形成装置に好適に適用することができる。その結果、優れた描画特性を有する画像形成装置を提供することができる。

具体的に、図８に示すようなプロジェクタ９について説明する。なお、説明の便宜上、スクリーンＳの長手方向を「横方向」といい、長手方向に直角な方向を「縦方向」という。
プロジェクタ９は、レーザーなどの光を照出する光源装置９１と、クロスダイクロイックプリズム９２と、１対の本発明の光スキャナ９３、９４（例えば、アクチュエータ１）と、固定ミラー９５とを有している。

光源装置９１は、赤色光を照出する赤色光源装置９１１と、青色光を照出する青色光源装置９１２と、緑色光を照出する緑色光源装置９１３とを備えている。
クロスダイクロイックプリズム９２は、４つの直角プリズムを貼り合わせて構成され、赤色光源装置９１１、青色光源装置９１２、緑色光源装置９１３のそれぞれから照出された光を合成する光学素子である。

このようなプロジェクタ９は、赤色光源装置９１１、青色光源装置９１２、緑色光源装置９１３のそれぞれから、図示しないホストコンピュータからの画像情報に基づいて照出された光をクロスダイクロイックプリズム９２で合成し、この合成された光が、光スキャナ９３、９４によって走査され、さらに固定ミラー９５によって反射され、スクリーンＳ上でカラー画像を形成するように構成されている。

ここで、光スキャナ９３、９４の光走査について具体的に説明する。
まず、クロスダイクロイックプリズム９２で合成された光は、光スキャナ９３によって横方向に走査される（主走査）。そして、この横方向に走査された光は、光スキャナ９４によってさらに縦方向に走査される（副走査）。これにより、２次元カラー画像をスクリーンＳ上に形成することができる。このような光スキャナ９３、９４として本発明の光スキャナを用いることで、極めて優れた描画特性を発揮することができる。

以上、本発明のアクチュエータ、光スキャナおよび画像形成装置について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明のアクチュエータ、光スキャナおよび画像形成装置では、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
また、前述した実施形態では、アクチュエータは、可動板を中心にほぼ左右対称な形状をなしている構造を説明したが、非対称であってもよい。

また、前述した実施形態では、１対の軸部材のそれぞれに圧電素子が接合されているアクチュエータについて説明したが、１対の軸部材の捩り剛性を変更することができれば、これに限定されず、１対の軸部材のいずれか一方の軸部材に圧電素子が接合していればよい。
また、前述した実施形態では、各軸部材に１つの圧電素子が接合されているアクチュエータについて説明したが、これに限定されず、例えば、各軸部材に複数の圧電素子が接合されていてもよい。

また、前述した実施形態では、軸部材の長手方向での中央部に圧電素子が接合されているアクチュエータについて説明したが、１対の軸部材の捩り剛性を変更することができれば、これに限定されず、例えば、軸部材の長手方向での端部（可動板側の端部または支持部側の端部）に圧電素子が接合されているものであってもよい。また、軸部材の長手方向での全域にわたって圧電素子が接合されているものであってもよい。

また、前述した実施形態では、圧電素子がＹ軸方向へ伸縮するアクチュエータについて説明したが、軸部材の横断面形状を変化させることができれば、これに限定されず、Ｙ軸方向成分を含む方向へ圧電素子が伸縮するものであればよい。
また、前述した実施形態では、コイルと磁石とを備える駆動手段により可動板を回動させるものについて説明したが、これに限定されず、例えば、圧電素子の伸縮を利用した圧電駆動により可動板を回動させてもよいし、１対の電極間に発生する静電力を利用した静電駆動により可動板を回動させてもよい。ここで、圧電駆動により可動板を回動させる場合には、圧電素子へ印加する電圧の周波数が「駆動周波数」であり、静電駆動により可動板を回動させる場合には、１対の電極間に印加する電圧の周波数が「駆動周波数」である。

本発明のアクチュエータの第１実施形態を示す斜視図である。 図１中のＡ−Ａ線断面図である。 図１中のＢ−Ｂ線断面図である。 軸部材の変形を説明すための図である。 制御系を説明するためのブロック図である。 本発明のアクチュエータの第２実施形態を示す部分断面斜視図である。 本発明のアクチュエータの第３実施形態を示す斜視図である。 本発明の画像形成装置を説明するための図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ‥‥‥アクチュエータ ２‥‥‥基体 ２１‥‥‥可動板 ２１１‥‥‥光反射部 ２２‥‥‥支持部 ２３、２３Ａ、２４、２４Ａ‥‥‥軸部材 ２３１Ａ‥‥‥貫通孔 ２３２Ａ、２３３Ａ‥‥‥弾性部 ３‥‥‥支持基板 ３１‥‥‥空間 ４‥‥‥接合層 ５‥‥‥基板 ６‥‥‥剛性変更手段（バネ定数変更手段） ６１、６２‥‥‥圧電素子 ６３‥‥‥圧電素子駆動ドライバ ６１１‥‥‥圧電体層 ６１２、６１３‥‥‥電極 ７‥‥‥駆動手段 ７１‥‥‥磁石 ７２‥‥‥コイル ７３‥‥‥電源回路（電圧印加手段） ８１‥‥‥制御手段 ８２‥‥‥共振周波数検出手段 ９‥‥‥プロジェクタ ９１‥‥‥光源装置 ９１１‥‥‥赤色光源装置 ９１２‥‥‥青色光源装置 ９１３‥‥‥緑色光源装置 ９２‥‥‥クロスダイクロイックプリズム ９３、９４‥‥‥光スキャナ ９５‥‥‥固定ミラー １０１、１０２‥‥‥接合部 １０３‥‥‥空間 Ｓ‥‥‥スクリーン Ｘ、Ｙ、Ｚ‥‥‥軸

Claims (12)

1. 可動板と、
   前記可動板を回動可能に支持する長手形状をなす少なくとも１つの軸部材と、
   前記可動板を回動させる駆動手段とを有し、
   前記駆動手段を作動することにより、前記軸部材を捩り変形させて前記可動板を回動させるように構成されたアクチュエータであって、
   前記軸部材の捩り剛性を変更する剛性変更手段を有し、
   前記剛性変更手段は、前記軸部材に接合し、その長手方向に直交する方向成分を有する方向へ伸縮する少なくとも１つの圧電素子を有し、該圧電素子を伸縮させ、前記軸部材の横断面形状を変化させることで前記軸部材の捩り剛性を変更するように構成されていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記駆動手段は、電圧を印加する電圧印加手段を備え、
   前記剛性変更手段は、前記電圧の周波数と、前記可動板と前記軸部材とで構成される振動子の共振周波数とが等しくなるように前記軸部材の捩り剛性を変更する請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記圧電素子は、前記軸部材の長手方向に直交する方向に伸縮する請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記圧電素子は、前記軸部材の長手方向に直交する方向の全域にわたって設けられている請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記圧電素子は、前記軸部材の長手方向での中央部に設けられている請求項１ないし４のいずれかに記載のアクチュエータ。
6. 前記圧電素子と前記軸部材とは、前記軸部材の長手方向に直交する方向に間隔を隔てて設けられた１対の接合部を介して接合されている請求項１ないし５のいずれかに記載のアクチュエータ。
7. 前記軸部材の幅は、該軸部材の厚さより大きい請求項１ないし６のいずれかに記載のアクチュエータ。
8. 前記軸部材は、前記可動板を両持ち支持するように１対設けられており、
   前記圧電素子は、前記１対の軸部材のうちの少なくとも一方の軸部材に接合している請求項１ないし７のいずれかに記載のアクチュエータ。
9. 前記各軸部材には、前記圧電素子が少なくとも１つ接合されている請求項８に記載のアクチュエータ。
10. 前記可動板は、その板面に光反射性を有する光反射部を備えている請求項１ないし９のいずれかに記載のアクチュエータ。
11. 光反射性を有する光反射部を備える可動板と、
    前記可動板を回動可能に支持する長手形状をなす少なくとも１つの軸部材と、
    前記可動板を回動させる駆動手段とを有し、
    前記駆動手段を作動することにより、前記軸部材を捩り変形させつつ前記可動板を回動させ、前記光反射部で反射した光を走査するように構成された光スキャナであって、
    前記軸部材の捩り剛性を変更する剛性変更手段を有し、
    前記剛性変更手段は、前記軸部材に接合し、その長手方向に直交する方向成分を有する方向へ伸縮する少なくとも１つの圧電素子を有し、該圧電素子を伸縮させ、前記軸部材の横断面形状を変化させることで前記軸部材の捩り剛性を変更するように構成されていることを特徴とする光スキャナ。
12. 光反射性を有する光反射部を備える可動板と、
    前記可動板を回動可能に支持する長手形状をなす少なくとも１つの軸部材と、
    前記可動板を回動させる駆動手段とを有し、
    前記駆動手段を作動することにより、前記軸部材を捩り変形させつつ前記可動板を回動させ、前記光反射部で反射した光を走査するように構成された光スキャナを備えた画像形成装置であって、
    前記軸部材の捩り剛性を変更する剛性変更手段を有し、
    前記剛性変更手段は、前記軸部材に接合し、その長手方向に直交する方向成分を有する方向へ伸縮する少なくとも１つの圧電素子を有し、該圧電素子を伸縮させ、前記軸部材の横断面形状を変化させることで前記軸部材の捩り剛性を変更するように構成されていることを特徴とする画像形成装置。

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