JP2009042322A - 揺動体装置、光偏向器、及びそれを用いた光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】揺動体の重心が揺動中心軸から大きくずれることがなく、また、磁性体に発生するトルクの中心が揺動中心軸から大きくずれることが無い構成に容易にできる揺動体装置を提供することである。
【解決手段】揺動体装置は、揺動中心軸の回りに揺動可能に支持された揺動体101と、揺動体101に設けられた磁性体114と、揺動体101に対向して設けられた磁界発生手段121と、を有する。磁性体114は、揺動体101の上下両面に挟まれた側部に設けられている。
【選択図】図1-1

Description

本発明は、揺動中心軸の回りに揺動可能に支持された揺動体を有する揺動体装置、光偏向器、それを用いた画像形成装置などの光学機器に関するものである。

複写機、レーザービームプリンタなどの画像形成装置、バーコードリーダ等の光学機器、或いはレーザ光を走査して映像を投影する画像表示装置等の光学機器において、光スキャナ（光偏向器）が用いられている。

一般に、機械的に光走査を行なう光スキャナとしては、回転多面鏡からなるポリゴンミラーや揺動型反射鏡からなるガルバノミラーなどが知られている。特にガルバノミラータイプにおいては、マイクロメカニクス技術によって、シリコン基板を用いた共振型光スキャナが開発されている。これは、小型化、軽量化、低コスト化が期待でき、このような共振型光スキャナを利用した画像形成装置が提案されている。

これらの要件を満たした光偏向器の従来技術として、次の提案例がある（特許文献1参照）。図6は、この提案例の光偏向器を示す斜視図である。光偏向器は、コイル2aを有する磁気発生部2 と、平板状の走査ミラー1 と、を備える。走査ミラー1は、鏡面部1bにより反射された光が走査されるよう、コイル2aを通電することによって発生する磁気発生部2 の磁気に応じて角変位して駆動される。走査ミラー1 は、両端部を結ぶ駆動軸1eを中心として角変位可能なよう、支持部材1dで両端支持される。また、走査ミラー1 は、一方面側が鏡面部1bで、他方面側が駆動軸1eの両側を異極に着磁した薄膜状の永久磁石1cで形成される。磁気発生部2 は、走査ミラー1 の駆動軸1eに直交する方向をコイル2aの巻回軸とするとともに、走査ミラー1 の他方面側に所定の距離を隔てて配設されている。従って、走査ミラー1 は、単独で、しかも他方面側に薄膜状の永久磁石1cを形成しただけの軽い状態で駆動される。よって、走査ミラー1 を大型にしたいような場合であっても、比較的小さな駆動力でも容易に駆動できる。
特開平06-82711号公報

しかし、上記背景技術の光偏向器においては、次の様な可能性がある。すなわち、永久磁石1cに発生するねじりトルクの中心が支持部材1dで規定される駆動軸1eから離れてしまった場合、走査ミラー１に横振動が発生する可能性がある。そのため、駆動軸1eを中心とする安定なねじり振動が得られず、安定動作の妨げになる可能性がある。

上記課題に鑑み、本発明の揺動体装置は、次の特徴を有する。すなわち、揺動中心軸の回りに揺動可能に支持された揺動体と、前記揺動体に設けられた磁性体と、前記揺動体に対向して設けられた磁界発生手段と、を有し、前記磁性体は、前記揺動体の上下両面に挟まれた側部に設けられている。

また、上記課題に鑑み、本発明の光偏向器は、上記揺動体装置を有し、1つの揺動体に光反射部を有する、ことを特徴とする。

また、上記課題に鑑み、本発明の光学機器は、光源と、上記光偏向器と、光入射目標体とを有し、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光入射目標体に入射させる、ことを特徴とする。

本発明によれば、揺動体の側部に磁性体が設けられるので、たとえ磁性体を大きくした場合でも、揺動体の重心が揺動中心軸からずれることが少なく、また、磁性体に発生するトルクの中心が揺動中心軸からずれることが少ない構成に容易にできる。そのため、揺動体は揺動中心軸を中心に安定した揺動が可能となる。

以下、図を用いて本発明による揺動体装置、光偏向器、これを用いた光学機器の実施の形態を説明する。

（第1の実施形態）
本発明の揺動体装置を用いた第1の実施形態に係る光偏向器100の構造について、図面を用いて説明する。図1-1はその上面図、図1-2(a)は図1-1のA1-A2断面図である。これらの図に示す様に、光偏向器100は、MEMS技術によって作製されるチップ部110と、駆動機構を構成する電磁コイル部120と、が治具（不図示）に設置されている構造を有する。その構造の大きさは、例えば、縦5mm、横5mm、高さ3mm程度である。

チップ部110について図1-1、図1-2(a)を用いて説明する。これらの図面では、分かり易くするために寸法及びその相対比率を誇張ないし変更して示している。チップ部110は、揺動可能に支持された揺動体101、弾性支持部であるねじりバネ102、支持部である支持体103によって構成される。揺動体101は、ねじりバネ102を介して支持体103により支持され、支持体103は治具に固定されている。揺動体101は、ねじりバネ102で規定される揺動中心軸（図1-1のA1-A2線の方向に伸びる）の回りに揺動可能に支持される。

揺動体101、ねじりバネ102、支持体103は、300ミクロン程度の厚みを有する基板により一体で形成されている。基板は、例えば、単結晶シリコンから成る。単結晶シリコンは、ヤング率が大きい、比重が小さい、塑性変形しないなど、機械的特性に優れているため、揺動体101に大きい共振周波数を持たせることが可能である。

揺動体101の表面には光反射部が形成されている。反射部は、例えば、アルミニウムから成る。揺動体101上の反射部が、光偏向器100の光偏向素子として働く。

揺動体101には、その反射部を含む面とその裏面（上下両面）で挟まれた側部であって且つ揺動中心軸と交わる部分（図示例では揺動中心軸に垂直な側面）に、円柱形状の磁性体である永久磁石114が配置されている。本実施形態では、この側部は凹んだ形状を有する。図示例では、図1-2(a)に示す様に凹みは三角柱形状を有するが、断面形状が台形、矩形などの凹みであってもよい。三角柱形状の凹みでは、円柱形状の永久磁石114を配置する際にアライメントが容易且つ高精度にできる。また、凹みは設けず、そのまま平面であってもよい。この場合は、図1-2(d)に示す様に、角柱形状の永久磁石114を配置する際にアライメントが容易且つ高精度にできる。永久磁石114の長手方向の位置決めは、例えば、揺動中心軸と直交する方向の上記側部の長さと永久磁石114の長さを同じにしておいて、両者の端部を揃えて行うことができる。或いは、モニタを見ながら永久磁石114の長手方向の位置決めを行うこともできる。

磁性体である永久磁石114は、例えば、サマリウムコバルト、ネオジウム鉄ボロン等の硬磁性体を着磁した材料から構成される。永久磁石114は、円柱形状以外に、種々の形状をとりえる。永久磁石114の極性は、ねじりバネ102で規定される揺動中心軸を挟んで図1-2 (c)に示す様に、N極とS極となっている。極性は、図示のものとN極、S極が逆であっても構わない。

本実施形態では、揺動体101は図示のように平板状の矩形の形状を有し、磁性体は上記の如き側部に設けられてその重心を揺動中心軸と一致（すなわち揺動中心軸上に設定）させている。しかし、揺動体の形状はこれに限らない。例えば、三角形、多角形、円形、長円形などであってもよい。磁性体は、こうした形状の揺動体の適当な側部に配置される。要するに、磁性体の重心が揺動中心軸上に来る状態に容易にできる形状であれば揺動体はどのような形状であってもよい。更に、磁性体は2つ以上設けてもよく、側部に設けられる磁性体の重心と揺動中心軸とが一致していればよい。

電磁コイル部120について更に説明する。本実施形態において、電磁コイル部120は、電磁コイル121と電磁コイル基板122とからなる。電磁コイル121はXY平面に沿って円形状に配線が巻かれており、電源123から電力が供給されることによって、電流の方向に依って電磁コイル121の上面或いは下面にN極またはS極が現れる。電磁コイル121の配線は、銅やアルミニウムのように低抵抗な金属で構成され、巻数は数十回から数百回程度である。電磁コイル124の大きさは、例えば、直径d=3mm、高さt=2mmである。電磁コイル基板122は、鉄やパーマロイ（登録商標）等の強磁性体からなり、電磁コイル121を支持する役割と、電磁コイル121から発生する磁場を基板122の所で遮蔽して磁場を上方に集中させる役割を持つ。

次に、揺動体101の揺動方法について説明する。図1-2(c)は、電磁コイル121に電流Iを流し、電磁コイル121上面にN極が現れている状態を示している。発生する磁界Hは、電磁コイル121を流れる電流Iと電磁コイル121の巻数Nとの積に比例する。磁界Hは永久磁石114の磁極に作用し、ねじりバネ102が揺動中心軸を中心に変形し、揺動体101は変位する。電流Iを交流電流とすることで、揺動体101を周期的に変位させることが可能である。さらに、交流電流の周波数と揺動体101の共振周波数とをほぼ一致させることにより、低消費電力で揺動体101の揺動変位が可能になる。尚、永久磁石を軟磁性体に置き換えることもできる。ただし、この場合は、電磁コイルと軟磁性体との間では引力しか働かない。よって、これに応じた電磁コイルと軟磁性体の配置を行う必要がある。例えば、揺動中心軸を挟んで対称な位置の側部にある軟磁性体の部分に対向する位置に2つの電磁コイルを設けて、2つの電磁コイルに交互に電流を流す制御を行って、揺動中心軸を中心とする揺動運動を揺動体に起こさせる。この場合、例えば、揺動中心軸を挟んで対称な位置の側部に2つの軟磁性体を設けてその重心を揺動中心軸上に持ってくる様な構成も可能である。一例が、図1-1において符号114で指し示す破線部で示されている。更に、磁界発生手段としては、電磁コイルのほかに、磁性体に作用する磁界を変調させるために回転駆動される永久磁石、同じく磁界変調のために駆動される磁気シールドシャッターと永久磁石の組、なども可能である。

ここで、永久磁石114の重心と揺動中心軸とが一致しない時に発生する揺動体101の横振動について、図2(a)、(b)を用いて説明する。図2(a)、(b)は、図1-1のB1-B2断面の揺動体101を模式的に表している。

図2(a)は、永久磁石114の重心211と揺動中心軸221とが一致している場合を示している。本実施形態ではこの様になっている。揺動体101に一様な外部磁場が印加されたとき、永久磁石114の両極212、213にそれぞれ力214、215が発生し、重心211を中心とするねじれトルク216が発生する。このとき、永久磁石114の重心211と揺動体101の揺動中心軸221とが一致しているため、揺動体101に揺動中心軸221を中心とするねじれトルク222のみが加わる。こうして、揺動体101は揺動中心軸221を中心とする理想的な揺動運動をする。

一方、図2(b)は、揺動体101の面上に貼り付けた永久磁石114の重心211と揺動中心軸221が一致していない場合を示している。揺動体101に一様な外部磁場が印加されたとき、永久磁石114の重心211を中心とするねじれトルク216が発生する。このとき、永久磁石114の重心211と揺動中心軸221とが一致していないため、揺動体101には揺動中心軸221を中心とするねじれトルク222とは別に、X方向の力223が加わる。その結果、揺動体101に、揺動中心軸221を中心とした理想的な揺動運動のほかに、X方向の横振動が生じる。

本実施形態では、揺動体101の側部に永久磁石114を配置する。よって、揺動中心軸221に関して対称となるように永久磁石114を容易に配置することができる。すなわち、永久磁石114の重心124が揺動中心軸221と一致するように永久磁石114が配置されていて、こうすることで、横振動を抑制し、揺動体101の長時間安定したねじり振動が可能になっている。

本実施形態によれば、磁性体は揺動体の反射部を含む面とその裏面に挟まれた側部で且つ揺動中心軸と交わる部分に設けられる。よって、たとえ磁性体を大きくした場合でも、揺動体の重心が揺動中心軸から大きくずれることがなく、揺動体の重心を揺動中心軸上に容易に持ってくることができる。そのため、磁性体に発生するトルクの中心が揺動中心軸からずれることが無いため、揺動体は揺動中心軸を中心に安定した揺動が可能となり、長時間安定したねじり振動が可能になる。

また、本実施形態では、磁性体は永久磁石からなり、磁界発生手段は電磁コイルからなるので、揺動体に外部から電力を供給する必要が無く、支持体、ねじりバネ、及び揺動体に電気配線を設ける必要が無い。そのため、支持体、ねじりバネ、及び揺動体をより容易且つ安価に作製できる。

また、本実施形態では、磁性体は円柱形状であり、揺動体の反射部を含む面とその裏面に挟まれた側部が凹んでいることで、セルフアライメント機能を付加することができる。こうして、磁性体のアライメントをより容易且つ高精度に行なうことが可能になるため、揺動体及び磁性体を容易且つ高精度に組み付け作製できる。

また、本実施形態では、支持体、ねじりバネ、及び揺動体は一体で、シリコンからなることで、支持体、ねじりバネ、及び揺動体を半導体プロセスを用いて作製することができる。そのため、支持体、ねじりバネ、及び揺動体を容易且つ高精度に作製できる。

また、本実施形態では、支持体、ねじりバネ、及び揺動体は一体で、シリコンからなるので、支持体、ねじりバネ、及び揺動体を半導体プロセスを用いて作製することができる。そのため、支持体、ねじりバネ、及び揺動体を容易且つ高精度に作製できる。

更に、本実施形態では、磁性体が揺動体の反射部を含む面とその裏面に挟まれた側部に設けられていることで、両面ミラーとして利用も可能となる。

（第2の実施形態）
本発明の揺動体装置を用いた第2の実施形態に係る光偏向器100の構造について図面を用いて説明する。図3-1は光偏向器の上面図であり、図3-1のA1-A2断面図、B1-B2断面図を、それぞれ図3-2(a)、(b)に示す。基本的な構成、駆動方法、作用効果は前述の第1の実施形態と同じであり、同じ部分は、符号を図に記載したが詳しい説明を省略する。

第2の実施形態が第1の実施形態と違う点は、第1の実施形態が片持ちのねじりバネの構成であるのに対して、第2の実施形態が両持ちバネの構成である点である。片持ちのねじりバネでは、永久磁石114は少なくとも1個あれば永久磁石114の重心と揺動中心軸との一致が容易に可能となる。一方、両持ちのねじりバネでは、永久磁石114が偶数個あるとき、永久磁石114の重心と揺動中心軸とのずれを比較的少なくすることが可能になる。図3-1及び図3-2(a)、(b)に示す構成では、永久磁石114は2対（すなわち計4つ）、揺動体の両面に挟まれた側部に設けられている。

（第3の実施形態）
本発明の揺動体装置を用いた第3の実施形態に係る光偏向器100の構造について図面を用いて説明する。図4は光偏向器の上面図である。基本的な構成、駆動方法、作用効果は前述の第1の実施形態と同じであり、同じ部分は、符号を図に記載したが詳しい説明を省略する。

本実施形態では、光偏向器100は揺動体101と受動揺動体104（反射部を有する揺動体）とを有し、永久磁石114a乃至104dは揺動体101の側部にのみ配置されている。すなわち、揺動体101、104及びねじりバネ102a、102bを複数有し、揺動体及びねじりバネは揺動中心軸に沿って一直線上に配置されている。そして、複数の揺動体101、104のうちの少なくとも1つは、磁性体を有さない。こうした構成では、受動揺動体104は電磁コイル121の発生する磁界の作用を受けないが、揺動体101の揺動運動により受動的に揺動する。磁性体を持たない受動揺動体104は、永久磁石114を設置する際の反射部の汚損の可能性を無くすことができる。また、受動揺動体104は、より高機能（例えば、この上に形成された反射面で偏向される光ビームの等速度走査を容易に可能とする等角速度運動の実現）且つ安定に動作することが可能となる。また、揺動体101と受動揺動体104とを異なる共振周波数で揺動させることも可能である。

本実施形態では、揺動体及びねじりバネが複数設けられていることで、複数の揺動体を同時に駆動可能となり、揺動体へ新しい機能を付加することが可能になる。こうして、揺動体をより高機能にすることが可能となるため、より高機能な揺動体装置を提供できる。

（第4の実施形態）
図5は、本発明の揺動体装置を用いた光偏向器を使用し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5において、503は本発明の光偏向器であり、本実施形態では入射光を1次元に走査する。501はレーザ光源である。502はレンズ或いはレンズ群であり、504は書き込みレンズ或いはレンズ群、505は光入射目標体である感光体、506は走査軌跡である。

レーザ光源501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、光偏向器503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504により、回転中心の回りで等速回転している感光体505上へ画像を形成する。感光体505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。

本発明の光偏向器により、例えば、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、揺動体に反射部を有する本発明の光偏向器であれば、長時間安定した走査を行なうことが可能である。従って、光源と、光源から出射された光を偏向する上記光偏向器と、を有する構成により、光偏向器により偏向された光の少なくとも一部を画像形成体上に投影することで、長時間安定した画像形成が可能となる。

本発明の揺動体装置により構成された光偏向器は、画像表示装置に用いることもできる。ここでは、光偏向器は、光源からの光を偏向し、該光の少なくとも一部を光入射目標体である画像表示体上に入射させる。

本発明の揺動体装置を用いた光偏向器の第1の実施形態を説明する上面図である。 (a)及び(b)は第1の実施形態を説明する異なる部分の断面図、(c)は揺動方法を説明する断面図、(d)は磁性体が配置された側部の他の例の断面図である。 磁石の重心と揺動中心軸とが一致しない場合の揺動体の横振動を説明する図であり、(a) は磁石の重心と揺動中心軸とが一致する場合の説明図、(b) は磁石の重心と揺動中心軸とが一致しない場合の説明図である。 本発明の揺動体装置を用いた光偏向器の第2の実施形態を説明する上面図である。 (a)及び(b)は第2の実施形態を説明する異なる部分の断面図である。 本発明の揺動体装置を用いた光偏向器の第3の実施形態を説明する上面図である。 本発明の第4の実施形態の光学機器を説明するための図である。 本発明の背景技術を説明する図である。

符号の説明

100：光偏向器
101、104：揺動体（受動揺動体）
102：弾性支持部（ねじりバネ）
103：支持体
113：貫通孔
114：磁性体（永久磁石）
120：磁性発生手段（電磁コイル部）
121：電磁コイル
211：重心
221：揺動中心軸
501 光源（レーザ光源）
503 光偏向器（光走査系）
505 光入射目標体（感光体）

Claims (8)

1. 揺動中心軸の回りに揺動可能に支持された揺動体と、
   前記揺動体に設けられた磁性体と、
   前記揺動体に対向して設けられた磁界発生手段と、
   を有する揺動体装置であって、
   前記磁性体は、前記揺動体の上下両面に挟まれた側部に設けられていること、
   ことを特徴とする揺動体装置。
2. 前記磁性体は、前記揺動体の上下両面に挟まれた側部で且つ揺動中心軸と交わる部分に設けられている、
   ことを特徴とする請求項1に記載の揺動体装置。
3. 前記揺動体及びねじりバネを複数有し、
   前記揺動体及び前記ねじりバネは前記揺動中心軸に沿って一直線上に配置されている、
   ことを特徴とする請求項1または2に記載の揺動体装置。
4. 前記磁性体の重心は前記揺動体の揺動中心軸上にある、
   ことを特徴とする請求項1から3のいずれか1つに記載の揺動体装置。
5. 前記磁性体は円柱形状で、前記揺動体の側部が凹んでいる、
   ことを特徴とする請求項1から4のいずれか1つに記載の揺動体装置。
6. 前記磁性体は永久磁石からなり、
   前記磁界発生手段は電磁コイルからなる、
   ことを特徴とする請求項1から5のいずれか1つに記載の揺動体装置。
7. 請求項1から6のいずれか1つに記載の揺動体装置を有し、
   1つの揺動体に光反射部を有する、
   ことを特徴とする光偏向器。
8. 光源と、請求項7に記載の光偏向器と、光入射目標体とを有し、
   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光入射目標体に入射させる、
   ことを特徴とする光学機器。

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