JP2009095208A - 揺動体装置、揺動体装置を用いた光偏向器及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】、振動の非対称性や振動の不要な方向への発生による画像の劣化を低減することができ、耐久性を向上させることが可能となる揺動体装置、揺動体装置を用いた光偏向器及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】支持基板に対し、支持部によってねじり軸まわりに揺動可能に支持された可動板を備えた揺動体を有し、該揺動体を駆動可能に構成した揺動体装置であって、
前記可動板は、少なくとも１つの円柱体を位置決め配設するための凹溝によって構成された段差構造を有し、
前記段差構造は、前記ねじり軸を含む前記可動板に垂直な平面に対し、前記凹溝の形状が面対称で且つその凹溝の対向する側壁が非平行に形成された構造を備え、
前記円柱体は、該円柱体の側面が前記平面に対称な前記凹溝の対向する側壁の一方と他方の２箇所で接するようにして、前記可動板の前記段差構造における凹溝に位置決め配設されている構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、揺動体装置、揺動体装置を用いた光偏向器及び画像形成装置に関する。
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、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可能な揺動体装置を用いた光偏向器が実現できる技術に関するものである。

近年において、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術で作製される、可動板とねじりバネとで構成される振動系（揺動体）について、数多くの文献で報告されている。
このような揺動体の中でも、反射面を有し、走査型ディスプレイや電子写真用光スキャナに応用するようにした揺動体について、多くの特許文献が知られている。
それらの駆動方法は、静電、圧電なども考えられるが大きな走査角を得るために電磁駆動を用いるものが殆どであり、揺動体を構成する可動板の１面または両面に磁石を貼り付けて構成した電磁コイルによる電磁駆動型のものが一般的に用いられている。

従来においては、このような電磁駆動型のものとして、例えば特許文献１では、振動子（揺動体）の片側の面に円柱形状の磁石を貼り付けるに際して、円柱形状にあわせた凹部を施すようにしたディバイスが提案されている。
また、特許文献２では、可動子の両端に永久磁石を設置するジンバル型の振動子（揺動体）や、ねじり軸上に磁石を設置する振動子（揺動体）が提案されている。
米国特許出願公開第２００５／０２２５８２１号明細書 米国特許第７０３４４１５号明細書

上記したように、可動板とねじりバネとで構成される揺動体によって振動ミラーを構成し、走査型ディスプレイや電子写真等の画像形成装置における振動走査型光偏向器を構成する場合、揺動体の可動板に磁石を貼り付けて電磁駆動する方法が一般的である。
しかし、このような構造の振動走査型光偏向器では、揺動体の慣性モーメントの多くの部分を磁石が占めており、磁石の設置精度によって振動の非対称性や不要な方向への振動が発生し、形成画像の劣化が生じる。
また、揺動軸に対して質量が非対称であるとき、自重で撓むなどの影響から振動子の材料耐久性などに好ましくない影響を及ぼす。
これらの課題を解決する上で、上記した従来のものにおいては、更なる改善の余地がある。

本発明は、上記課題に鑑み、振動の非対称性や振動の不要な方向への発生による画像の劣化を低減することができ、耐久性を向上させることが可能となる揺動体装置、揺動体装置を用いた光偏向器及び画像形成装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、つぎのように構成した揺動体装置、揺動体装置を用いた光偏向器及び画像形成装置を提供するものである。
本発明の揺動体装置は、支持基板に対し、支持部によってねじり軸まわりに揺動可能に支持された可動板を備えた揺動体を有し、該揺動体を駆動可能に構成した揺動体装置であって、
前記可動板は、少なくとも１つの円柱体を位置決め配設するための凹溝によって構成された段差構造を有し、
前記段差構造は、前記ねじり軸を含む前記可動板に垂直な平面に対し、前記凹溝の形状が面対称で且つその凹溝における対向する側壁が非平行に形成された構造を備え、
前記円柱体は、該円柱体の側面が前記平面に対称な前記凹溝の対向する側壁の一方と他方の２箇所で接するようにして、前記可動板の前記段差構造における凹溝に位置決め配設されていることを特徴とする。
また、本発明の揺動体装置は、支持基板に対し、支持部によってねじり軸まわりに揺動可能に支持された可動板を備えた揺動体を有し、該揺動体を駆動可能に構成した揺動体装置であって、
前記可動板は、少なくとも２つの円柱体を位置決め配設するための凹溝によって構成された少なくとも２つの段差構造を有し、
前記段差構造のそれぞれは、前記ねじり軸と平行でかつ前記円柱体の中心を含む可動板に垂直な平面に対し、前記凹溝の形状が面対称で且つその凹溝における対向する側壁が非平行に形成された構造を備え、
前記円柱体のそれぞれは、該円柱体の側面が前記平面に対称な前記凹溝の対向する側壁の一方と他方の２箇所で接するようにして、前記可動板の前記それぞれの段差構造における凹溝に位置決め配設されていることを特徴とする。
また、本発明の揺動体装置は、前記円柱体が磁性体で構成され、磁場を発する駆動手段によって駆動可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の揺動体装置は、前記凹溝は、前記非平行の対向する側壁の延長線上に形成された交点でのなす角の二等分線が、前記ねじり軸と平行となる等脚台形状の平面形状を有し、
前記円柱体が、前記交点において形成される角の内側に配設されていることを特徴とする。
また、本発明の揺動体装置は、前記段差構造の凹溝は、前記可動板に垂直な方向からみた形状が円でない二次曲線の一部を含有する平面形状を有し、
前記二次曲線の一部は曲率半径が前記円柱体の半径よりも小さくなる箇所を備えると共に、
前記二次曲線上の最小の曲率半径となる点と該二次曲線の焦点とを含む直線が前記揺動軸と平行となるように構成され、
前記円柱体が、前記二次曲線の焦点のある側に配設されていることを特徴とする。
また、本発明の揺動体装置は、前記段差構造が配設された可動板と該段差構造が配設されていない可動板とによる複数の可動板を備え、該複数の可動板が複数の支持部によって連結され、支持基板に支持されていることを特徴とする。
また、本発明の揺動体装置は、前記段差構造が配設されていない可動板が、前記段差構造が配設された可動板によって囲まれていることを特徴とする。
また、本発明の光偏向器は、上記したいずれかに記載の揺動体装置と、該揺動体装置における前記可動部に設けられた光偏向素子と、を有することを特徴とする。
また、本発明の画像形成装置は、光源と、感光体と、上記光偏向器と、を有し、前記光源からの光を前記光偏向器により偏向し、前記光の少なくとも一部を、前記感光体上に入射することを特徴とする。

本発明によれば、振動の非対称性や振動の不要な方向への発生による画像の劣化を低減することができ、耐久性を向上させることが可能となる揺動体装置、揺動体装置を用いた光偏向器及び画像形成装置を実現することができる。

本発明の実施形態における支持基板に対し、支持部によってねじり軸まわりに揺動可能に支持された可動板を備えた揺動体を有し、該揺動体を駆動可能に構成した揺動体装置について説明する。
図１に、本実施形態における揺動体装置を説明する図を示す。
図１において、１０１は可動板、１０２は支持部を構成するねじりバネ、１０３は支持基板、１０４は円柱体、１０６は揺動軸、１０８は揺動軸を通り可動板に垂直な平面、１０９は段差構造、１１０は平面１０８と平行で円柱体の中心をとおる断面である。

本実施形態の揺動体装置において、揺動体は可動板１０１とねじりバネ１０２と支持基板１０３および可動板１０１に配置された少なくとも１つの円柱体１０４を備えている。
また、可動板１０１には、上記円柱体１０４を位置決め配設するため、凹溝によって構成された段差構造１０９が形成されている。
また、前記段差構造１０９は、前記ねじり軸である揺動軸１０６を含む前記可動板１０１に垂直な平面１０８に対し、前記凹溝の形状が面対称で且つその凹溝における対向する側壁が非平行に形成された構造を備えている。
そして、前記円柱体１０４は、該円柱体の側面が前記平面１０８に対称な前記凹溝の対向する側壁の一方と他方の２箇所で接するようにして、前記可動板１０１の前記段差構造における凹溝に位置決め配設されている。
すなわち、段差構造１０９と円柱体１０４は２点で接しており、この２点を含む直線は平面１０８に垂直に交差する。

以上は、図１（ｂ）に示されるように、円柱体１０４が１個の場合の構成例である。この場合には、平面１０８と断面１１０は同一であるが、本発明はこのような構成に限られず、例えば、図１（ａ）に示されるように、少なくとも２つの円柱体を備えるように構成してもよい。
その場合には、前記可動板に、少なくとも２つの円柱体を位置決め配設するための凹溝によって構成された少なくとも２つの段差構造を形成する。
そして、段差構造のそれぞれを、前記ねじり軸と平行でかつ前記円柱体の中心を含む可動板に垂直な平面に対し、前記凹溝の形状が面対称で且つその凹溝における対向する側壁が非平行に形成された構造とする。
以上の段差構造を用い、円柱体のそれぞれを、該円柱体の側面が前記平面に対称な前記凹溝の対向する側壁の一方と他方の２箇所で接するようにして、前記可動板の前記それぞれの段差構造における凹溝に位置決め配設する。
上記構成において、可動板１０１に複数の円柱体１０４を配設するに際し、円柱体１０４が偶数個ある場合は図１（ａ）に順じ、奇数個の場合は１つは平面１０８上に配置され、その他は図１（ａ）に順じる。
これにより円柱体１０４は平面１０８に垂直な方向の位置精度が保証される。

以上の段差構造１０９により、例えば、段差構造の凹溝を、等脚台形状または楕円形状を含む前記可動板に垂直な方向からみた形状が円でない二次曲線の一部を含有する平面形状とし、これらにより一種の位置決め溝を構成することができる。
そして、二次曲線の一部を含有する形状とする場合には、前記二次曲線の一部は曲率半径が前記円柱体の半径よりも小さくなる箇所を備えると共に、
前記二次曲線上の最小の曲率半径となる点と該二次曲線の焦点とを含む直線が前記揺動軸と平行となるように構成し、前記円柱体が、前記二次曲線の焦点のある側に配設するように構成することができる。

これらにより、例えば、揺動体装置を電磁駆動型とする場合には、上記円柱体１０４を磁性体で構成し、それを可動板上に形成された段差構造による位置決め溝に突き当てて位置決めすることで、磁性体を可動板に容易に精度良く配置することができる。
ただし、本発明は、上記のように円柱体１０４を磁性体で構成し電磁駆動型とするものに限定されるものではない。
例えば、揺動体を該ねじり軸まわりに共振周波数で駆動する揺動体装置において、揺動体の共振周波数を制御するため、上記円柱体１０４を揺動体の質量を調整する質量調整体として用いるようにしてもよい。
以上の本実施形態の構成によれば、振動の非対称性や振動の不要な方向への発生による画像の劣化を低減することができ、耐久性を向上させることが可能となる揺動体装置を実現することができる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用して円柱体を磁性体で構成して電磁駆動型の揺動体装置とした構成例について説明する。
図２に、本実施形態における揺動体装置を説明する図を示す。
図２（ａ）、図２（ｂ）において、２０１は可動板、２０２は支持部を構成するねじりバネ、２０３は支持基板、２０４は円柱体、２０６は揺動軸、２０９は段差構造である。

本実施例の揺動体装置において、揺動体は可動板２０１とねじりバネ２０２、支持基板２０３は１枚の板から一体に作製される。
材質としてはシリコンが主に用いられ、フォトリソグラフィーとエッチングで作製される。
シリコンは、良質な弾性体であり破壊しないかぎり弾性変形する為、広角に揺動させても形状が変化しない。
可動板２０１には円柱体２０４が配置される。
この円柱体２０４は磁性体で構成され、主に永久磁石を用いて構成されている。このように、円柱体を磁性体で構成することにより、磁場を発する駆動手段によって駆動可能に構成することができる。
例えば、電磁誘導型のアクチュエータを用いて磁性体による円柱体２０４近傍で交流磁場を発生させ、可動板２０１を揺動運動させるように構成することができる。

円柱体２０４は可動板２０１上に作製された段差構造２０９に２点で接して配置されている。
段差構造２０９はねじり軸により構成された揺動軸２０６を含む可動板２０１に垂直な平面と平行な円柱体２０４の軸を通る平面についても非平行かつ対称な構造となっている。
ただし、円柱体２０４が接する、限られた領域が対称であればよい。
ただし、揺動体全体として揺動軸２０６を含む可動板２０１に垂直な平面について対称になっていることが望ましく、その意味では段差構造２０９も含めて対称になっているのが望ましい。

また、この段差構造２０９は、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）などの深堀りエッチングで作製される。
段差構造２０９における凹溝の断面が逆テーパ構造になっていてもよい。
本実施例の段差構造２０９は、図２に示されるように、段差構造における凹溝の対向する側面がハの字型とされた等脚台形状に形成されている。
具体的には、この凹溝は、前記非平行の対向する側壁の延長線上に形成された交点でのなす角の二等分線が、前記ねじり軸と平行となる等脚台形状の平面形状を有している。つまり、前記非平行の対向する側壁が、この等脚台形の上底と下底とを結ぶ非平行の線分に相当する部位を構成している。
そして、前記円柱体が、前記交点において形成される角の内側に配設される。
このように、円柱体２０４を配置することで、円柱の中心軸をハの字のつくる角の２等分線上に配置することができる。
これにより、円柱体の直径が多少変化しても、揺動軸２０６を含む可動板２０１に垂直な平面と円柱体の中心との距離が一致する。
円柱体２０４が可動板上で一つの場合、もしくは両面で各１個の場合は揺動軸２０６を含む可動板２０１に垂直な平面について、段差構造２０９が対称となる（図２（ｂ））。
この場合は、円柱体２０４の中心は上記平面に含まれる。
これにより円柱体２０４の上記平面に垂直な方向の位置精度は高精度に保たれる。

本実施例において、揺動体は複数の可動板およびねじりバネで連結して構成することができる。
したがって、図３に示されるように、前記段差構造が配設された可動板と該段差構造が配設されていない可動板とによる複数の可動板を備え、該複数の可動板が複数の支持部によって連結され、支持基板に支持されるようにした形態でもよい。
その際、前記段差構造が配設されていない可動板を、前記段差構造が配設された可動板によって囲まれるようにしてもよい。
図３（ａ）は、段差構造の６０９のある可動板６０１と段差構造のない可動板６２１が、複数の支持部を構成するねじりバネ６０２で直列に連結されており、その一端が支持基板６０３で支持されている。
円柱体６０４は段差構造６０９に接して配置されているのは、図２の形態と同様である。
図３（ｂ）は、段差構造７０９のある可動板７０１が段差構造のない可動板７２１を囲んである形態であり、可動板７０１と可動板７２１がねじりバネ７０２で直列に連結されている。
円柱体７０４は段差構造７０９に接して配置されているのは、図２の形態と同様である。
図３（ｃ）は、段差構造８０９のある可動板８０１が段差構造のない可動板８２１を囲んである形態である。
可動板８０１はねじりバネ８０２で支持基板８０３と連結され、ねじりバネ８０２と直交する方向のねじりバネ８２２で可動板８２１と連結されている。
円柱体８０４は段差構造８０９に接して配置されているのは、図２の形態と同様である。

［実施例２］
実施例２においては、磁性体で構成した円柱体を楕円形状の段差構造に配置して構成した電磁駆動型の揺動体装置の構成例について説明する。
図４に、本実施例における揺動体装置を説明する図を示す。
図４において、３０１は可動板、３０２はねじりバネ、３０３は支持基板、３０４は円柱体、３０６は揺動軸、３０９は段差構造である。

本実施例は、段差構造を等脚台形状とした実施例１に対して、段差構造３０９を楕円形状とした点が異なるだけで、他は実施例１と基本的に同様の構成を備えている。
楕円の長軸方向が揺動軸３０６と平行になっていて 楕円の最小曲率半径が円柱体の半径よりも小さくなっている。
ただし、楕円の場合は円柱体３０４の直径よりも、段差構造３０９の短軸の長さが大きくなっている。
図４（ａ）及び図４（ｂ）の各図右側に示したハッチング付きの図は、可動板３０１上の一点鎖線の断面図である。
また、この形状は楕円以外に放物線や双曲線でも、最小曲率半径が円柱体の半径よりも小さくなっていて、焦点を含む各曲線の対称線と揺動軸が平行ならばなりたつ。
可動板３０１には円柱体３０４を配置する。この円柱体３０４は磁性体であり主に永久磁石が用いられ、電磁誘導型のアクチュエータをもちいて円柱体３０４近傍で交流磁場を発生させることにより可動板３０１を揺動軸３０６中心に揺動運動させる。
揺動体は実施例１同様、複数の可動板およびねじりバネで連結して構成することができる。
その具体的形態は、実施例１に順ずるものであるから、再度の説明を省略する。

［実施例３］
実施例３では、本発明の揺動体装置を適用して構成した光偏向器を用いた画像形成装置の構成例について説明する。
図５に、本実施例における画像形成装置の構成例を説明する概略斜視図を示す。
図５に示す本実施例の画像形成装置において、５３０は本発明の揺動体装置を適用し、上記可動板に設けられた光偏向素子を備えた光偏向器であり、本実施例では入射光を１次元に走査する。
５１０はレーザ光源、５２０はコリメータレンズ、５４０は結合レンズ、５５０はドラム状の感光体である。

本実施例の画像形成装置は、光源と、感光体と、上記の光偏向器と、を有し、前記光源からの光を前記光偏向器により偏向し、前記光の少なくとも一部を、前記感光体上に入射するように構成されている。
さらに具体的に説明すると、光偏向器５３０における揺動体の可動板（図示しない）の一部は、光反射部を備えている。
光源５１０から出射した光は、コリメータレンズ５２０で整形される。
光偏向器５３０によって走査された光はレンズ５４０によりドラム状の感光体５５０上にて結像され、ドラム状の感光体５５０を露光する。
光源５１０から出射した光を変調させることによりドラム状の感光体５５０上に画像が形成される。

本発明の実施形態における揺動体装置を説明する図。 本発明の実施例１における揺動体装置を説明する図。 本発明の実施例１における揺動体装置の他の構成例を説明する図。 本発明の実施例２における揺動体装置を説明する図。 本発明の実施例３における画像形成装置の構成例を説明する概略斜視図。

符号の説明

１０１：可動板
１０２：ねじりバネ
１０３：支持基板
１０４：円柱体
１０６：揺動軸
１０８：揺動軸を通り可動板に垂直な平面
１０９：段差構造
１１０：平面１０８と平行で円柱体の中心をとおる断面
２０１：可動板
２０２：ねじりバネ
２０３：支持基板
２０４：円柱体
２０６：揺動軸
２０９：段差構造
３０１：可動板
３０２：ねじりバネ
３０３：支持基板
３０４：円柱体
３０６：揺動軸
３０９：段差構造
５１０：光源
５２０：コリメータレンズ
５３０：光偏向器
５４０：結合レンズ
５５０：ドラム状の感光体
６０１：可動板
６０２：ねじりバネ
６０３：支持基板
６０４：円柱体
６０９：段差構造
６２１：段差構造のない可動板
７０１：可動板
７０２：ねじりバネ
７０３：支持基板
７０４：円柱体
７０９：段差構造
７２１：段差構造のない可動板
８０１：可動板
８０２：ねじりバネ
８０３：支持基板
８０４：円柱体
８０９：段差構造
８２１：段差構造のない可動板
８２２：ねじりバネ

Claims (9)

1. 支持基板に対し、支持部によってねじり軸まわりに揺動可能に支持された可動板を備えた揺動体を有し、該揺動体を駆動可能に構成した揺動体装置であって、
   前記可動板は、少なくとも１つの円柱体を位置決め配設するための凹溝によって構成された段差構造を有し、
   前記段差構造は、前記ねじり軸を含む前記可動板に垂直な平面に対し、前記凹溝の形状が面対称で且つその凹溝の対向する側壁が非平行に形成された構造を備え、
   前記円柱体は、該円柱体の側面が前記平面に対称な前記凹溝の対向する側壁の一方と他方の２箇所で接するようにして、前記可動板の前記段差構造における凹溝に位置決め配設されていることを特徴とする揺動体装置。
2. 支持基板に対し、支持部によってねじり軸まわりに揺動可能に支持された可動板を備えた揺動体を有し、該揺動体を駆動可能に構成した揺動体装置であって、
   前記可動板は、少なくとも２つの円柱体を位置決め配設するための凹溝によって構成された少なくとも２つの段差構造を有し、
   前記段差構造のそれぞれは、前記ねじり軸と平行でかつ前記円柱体の中心を含む可動板に垂直な平面に対し、前記凹溝の形状が面対称で且つその凹溝の対向する側壁が非平行に形成された構造を備え、
   前記円柱体のそれぞれは、該円柱体の側面が前記平面に対称な前記凹溝の対向する側壁の一方と他方の２箇所で接するようにして、前記可動板の前記それぞれの段差構造における凹溝に位置決め配設されていることを特徴とする揺動体装置。
3. 前記円柱体が磁性体で構成され、磁場を発する駆動手段によって駆動可能に構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の揺動体装置。
4. 前記凹溝は、前記非平行の対向する側壁の延長線上に形成された交点でのなす角の二等分線が、前記ねじり軸と平行となる等脚台形状の平面形状を有し、
   前記円柱体が、前記交点において形成される角の内側に配設されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の揺動体装置。
5. 前記段差構造の凹溝は、前記可動板に垂直な方向からみた形状が円でない二次曲線の一部を含有する平面形状を有し、
   前記二次曲線の一部は曲率半径が前記円柱体の半径よりも小さくなる箇所を備えると共に、
   前記二次曲線上の最小の曲率半径となる点と該二次曲線の焦点とを含む直線が前記揺動軸と平行となるように構成され、
   前記円柱体が、前記二次曲線の焦点のある側に配設されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の揺動体装置。
6. 前記段差構造が配設された可動板と該段差構造が配設されていない可動板とによる複数の可動板を備え、該複数の可動板が複数の支持部によって連結され、支持基板に支持されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の揺動体装置。
7. 前記段差構造が配設されていない可動板が、前記段差構造が配設された可動板によって囲まれていることを特徴とする請求項６に記載の揺動体装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の揺動体装置と、
   該揺動体装置における前記可動板に設けられた光偏向素子と、
   を有することを特徴とする光偏向器。
9. 光源と、感光体と、請求項８に記載の光偏向器と、を有し、
   前記光源からの光を前記光偏向器により偏向し、前記光の少なくとも一部を、前記感光体上に入射することを特徴とする画像形成装置。

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