JP2009109928A - 光スキャナ、及びそれを用いた光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】揺動体が設けられた部分とは別の部分に光検出器を設けなくてよく、装置の小型化が容易となる光スキャナを提供することである。
【解決手段】光源から発生した光ビームを走査する光スキャナは、支持部107と、支持部に対して揺動軸の回りに揺動可能に支持された揺動体101、104と、揺動体を駆動するための駆動手段とを有する。少なくとも1つの光検出器108が支持部107に設けられ、少なくとも1つの揺動体101には光反射素子が設けられる。駆動手段により揺動体を揺動させることで、光ビームを反射して走査範囲に走査するとき、所定の走査角の光ビームを光検出器108に導光する様に走査範囲内に反射部が設けられている、
【選択図】図1

Description

本発明は、マイクロ構造体などで構成される光スキャナ、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。

従来、光走査を行う光スキャナとして、ポリゴンミラー等の回転動作を利用した回転駆動型光スキャナや、ミラーが共振振動することで光走査を行う光スキャナなどが提案されている。特に、ミラーが共振振動することで光走査を行う共振型光スキャナは、例えば、Si単結晶を半導体プロセスで加工して製造され、こうしたものは金属疲労が無く耐久性にも優れている等の特徴がある。

こうした光スキャナによる光走査を利用した電子写真方式の画像形成装置などは、画像信号によって変調された光ビームを光源より発生し、該光ビームを光スキャナに照射し、その反射光を感光体上に走査することで画像形成を行っている。この様に画像形成を行うためには、正確に感光体上に画像情報で変調された光ビームを、好ましくは、等速走査させる必要がある。そのため、感光体の両側の画像形成領域外に光検出器を配置してそこに光を導くか、或いは反射部を配置して光検出器に光を導く。そして、そこに光が走査されたことを該光検出器に検出させ、検出したタイミングから計時して、画像信号によって変調された光ビームが感光体上に適切に走査される様に制御を行う(特許文献1参照)

この様子を図9に概念的に示す。図9において、200は光スキャナ、201及び202は反射部、203は感光体、204及び205は光検出器、206と207及び208と209は光路、230は光源を示す。揺動する光スキャナ200に光ビーム発生装置（不図示）から光ビームが照射されると、光スキャナ200の振れ角によって光ビームが光路206の方向に反射され、これを反射部201が光路207の方向に反射する。この反射方向の位置に光検出器204があり、走査光が反射部201の位置に達したことを検出する。同様に、光スキャナ200の振れ角によって光ビームが光路208の方向に反射され、これを反射部202が光路209の方向に反射する。この反射方向の位置にも光検出器205があり、走査光が反射部202の位置に達したことを検出する。

走査光を光検出器に導く構成としては、複数の位置からの光を光ファイバで1つの光検出器の導く構成もある(特許文献2参照)
特開平9−230276号公報 特開2004−058492号公報

しかしながら、特許文献1に開示された画像形成装置では、画像形成領域外の両側に対応した位置に光検出器が少なくとも2つ必要になる。また、特許文献2に開示された画像形成装置では、光検出器は1つになるが、別途光ファイバが必要になる。

この様に、特許文献1の画像形成装置では、光スキャナの部分とは別の部分に光検出器を配置する必要があり、装置を小型化するのは容易ではない。光ファイバを用いる構成でも、この点は同様である。

上記課題に鑑み、光源から発生した光ビームを走査する本発明の光スキャナは次の特徴を有する。即ち、光スキャナは、支持部と、揺動体と、該揺動体を前記支持部に対して揺動軸の回りに揺動可能に支持するねじりバネと、前記揺動体を駆動するための駆動手段と、少なくとも1つの前記揺動体に設けられた前記光ビームを反射する光反射素子と、前記揺動体で偏向された偏向光を反射する反射部と、前記反射部で反射された反射光を検出する少なくとも１つの光検出器と、を有する。そして、前記光検出器は前記支持部に設けられている。

また、上記課題に鑑み、本発明の画像形成装置などの光学機器は、上記光スキャナと、光源と、光照射対象物と、を有し、光スキャナは、光源からの光ビームを反射・偏向し、該光ビームの少なくとも一部を光照射対象物に入射させることを特徴とする。

本発明によれば、光反射素子を持つ揺動体を揺動軸の回りに揺動可能に支持する支持部に光検出器を設けているので、該揺動体が設けられた部分とは別の部分に光検出器を設けなくてよく、装置の小型化が容易となる。

本発明の実施の形態を説明する。本発明の光スキャナの一実施形態は、少なくとも1つの光検出器が設けられた支持部と、少なくとも一つの揺動体と、該揺動体を支持部に対して揺動軸の回りに揺動可能に支持するねじりバネと、揺動体を駆動する電磁式などの駆動手段とを有する。少なくとも1つの揺動体には光反射素子であるミラーが設けられ、駆動手段で揺動体を揺動させることで、光ビームを偏向することができる。揺動体で偏向された偏向光は偏向光の走査範囲内に設けられた反射部により反射される。反射部で反射された反射光は支持部に設けられた光検出器により検出される。例えば、この光スキャナは、2自由度振動系を持つ共振型光スキャナであり、半導体プロセスによって加工されたSi単結晶からなり、支持部に半導体プロセスによって光検出器が設けられる。この場合、支持部と揺動体はシリコンプレート部材から一体的に形成されて、装置の小型化やコストダウンがより容易に行える。光源からの光ビームは、2つの揺動体のうちの1つに照射され、光ビームの反射による走査範囲の両側に、該光ビームを光検出器に導光する様に反射部が所定の角度で設けられる。

好適には、反射部は、走査中心を挟んで対称な位置に夫々1つ設けられる。光検出器は、前記揺動軸の延長線上にある支持部の部位に1つ設けられたり、前記揺動軸を挟んで支持部の両側の対称な部位に夫々1つ設けられたりする。

こうした光スキャナを用いる画像形成装置や画像表示装置などの光学機器では、感光体ドラムやスクリーンなどの光照射対象物を有し、光スキャナは、光ビーム発生手段からの光ビームを偏向し、該光ビームの少なくとも一部を光照射対象物に入射させる。

以下、本発明の実施例を、図を参照しながら説明する。なお、各図中の同機能の部分は共通して同符号で示す。

（実施例1）
本発明による光スキャナの第1の態様である実施例1を説明する。図1は実施例1による光スキャナの主要部を示す。本実施例において、プレート部材100はシリコンウエハであり、これをエッチング加工することで光スキャナが作製される。平板状の第1の揺動体101は、図中上下の2本の第1のねじりバネ102、103で揺動可能に支持されており、駆動手段によって、これらのねじりバネで規定される揺動軸の回りに左右に揺動される。揺動体101の上面には、光反射素子である光反射膜が成膜されており、光ビーム発生手段から発生した光ビームはこの揺動体101で反射・偏向され、偏向光が走査される。

枠形状の第2の揺動体104は、その内側に第1のねじりバネ102、103を支持しており、図中の上下を2本の第2のねじりバネ105、106により、支持部である支持枠107に対して支持される。枠形状の支持枠107は、その内側において第2のねじりバネ105、106を支持している。

つまり、本実施例では、プレート部材100をエッチング加工することによって、揺動体101、104を切り出し、またこれらを支持するねじりバネ102、103、105、106及び支持枠107を切り出している。こうして、これらの要素は一体的に形成されている。2つの揺動体101、104を含む2自由度振動系は、2つの振動モードを有するが、それらの周波数は、例えば、略2倍になる様に調整が施される。

また、108は光検出器で、109は、光検出器108からの検出信号線である。すなわち、本光スキャナは、素材自体がシリコンウエハであることから、光検出器108を、揺動しない枠形状の支持枠107上に作製している。本実施例では、光検出器108は、揺動軸の延長線上の支持枠107の部位に配置されている。光検出器108は、例えば、フォトダイオード、その出力電流を増幅する電流増幅部、及び電流電圧変換を行う素子をシリコンウエハ上に形成することで実現される。

図2は、光スキャナの駆動部を説明するための断面図である。図中、プレート部材100は、図1の切断線aで切断した断面を示している。枠形状の揺動体104の下面には永久磁石110が接着されている。プレート部材100は、支持体111に接着されている。永久磁石110に対向する支持体111の部位には、透磁率の高い材料で作製されたコア112が配置され、コア112の周囲にはコイル113が周回されている。永久磁石110、コア112、コイル113は、電磁アクチュエータである駆動手段を構成している。コイル113に電流を流すと、永久磁石110にトルクが作用し、ねじりバネ105、106を軸として揺動体104が揺動し、ねじりバネ102、103を軸として揺動体101が揺動する。すなわち、ねじりバネ102、103、105、106をねじり軸として、揺動体101、104が揺動する。

本実施例の駆動原理を説明する。上記構成の光スキャナは、前記ねじり軸を中心としたねじり振動を生じ、基準周波数となる周波数ｆ₀の1次の固有振動モードと基準周波数の2倍の周波数となる2次の固有振動モードを有する2自由度振動系として扱うことができる。そのため、コイル113には、この1次の固有振動モードの周波数の成分とこれに対して同位相で2倍の周波数の成分とからなる電流を流せばよい。

図3（a）は、横軸を時間ｔとして、揺動体101の周波数ｆ₀のねじり振動の変位角を説明する図である。図3（a）は、特に揺動体101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＜ｔ＜Ｔ₀／2）。曲線61は、コイル113に印加する駆動信号による振動のうち、基準周波数ｆ₀の成分を示しており、最大振幅±A₁の範囲で往復振動し、時間ｔ、角周波数ｗ₀＝2πｆ₀として、次の式1で表される正弦振動である。
θ₁＝A₁sin[ｗ₀ｔ] （式1）

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±A₂の範囲で振動し、次の式2で表される正弦振動である（図3（a）ではφ＝0）。
θ₂＝A₂sin[2ｗ₀ｔ+φ] （式2）

曲線63は、この様な駆動の結果生じる揺動体101のねじり振動の変位角を示している。揺動体を含む振動系は、前述の様にねじり振動について2自由度振動系として扱うことができ、基準周波数ｆ₀の固有振動モードと周波数2ｆ₀の2次の固有振動モードをねじり軸中心のねじり振動について有している。そのため、光スキャナには、駆動信号に励起された上記θ₁、θ₂の共振が夫々生じる。つまり、曲線63の揺動体101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3で表される鋸波状の振動となる。
θ＝θ₁＋θ₂＝A₁sin[ｗ₀ｔ]＋A₂sin[2ｗ₀ｔ+φ] （式3）

図3（b）は、図3（a）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、揺動体101の鋸波状の往復振動の角速度を示す曲線63aは、次の様になっている。すなわち、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。従って、本実施例の光スキャナ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’は実質的な等角速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することができる。そのため、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。

逆にいえば、前記式3のA₁、A₂、φを適切に与えれば、光スキャナに実質的な等角速度走査を行わせることができる。これらA₁、A₂、φの算出は、次の様に実行する。即ち、後述する画像形成装置を示す図4の様に走査範囲の両側に、揺動体101からの走査光を反射する反射部114、115を用意する。そして、これらの反射部からの光を支持枠107上の光検出器108で受光して、走査光が反射部を横切る時間を光検出器108で計時し、その時間に基づいてA₁、A₂、φを算出する。

より具体的には、検出時間と、目標のA₁、A₂、φに対応する目標時間との差に基づいて、駆動信号の振幅と周波数を調整・補正する。例えば、上記時間差と駆動信号の調整量の関係を表すマトリクスを予め求めておいて、駆動信号の振幅と周波数を調整・補正する。

特開2005−292627号公報に記載された方式を用いることもできる。ここでは、標準振動軌跡波形に対し、駆動波形の振幅や周期が変動した場合、光検出器108での検出に基づいて、標準波形の軌跡で得られる信号の各タイミングからの変動分を得る。そして、それを用いて駆動信号を補正し駆動波形を標準波形と同一にする様に制御する。このとき、周波数や振幅の変化量は、基準クロックの1クロック単位における周波数や振幅の変化量を予め変化量テーブルとして記憶しておき、この変化量テーブルを参照して決定する。

以上の様にして、光スキャナによる光走査を利用した機器である電子写真方式の画像形成装置などにおいて、ミラーの振れ角が正弦的に変化して角速度が一定でなく、特に走査の両端に向かうにつれて角速度が減少するという問題が解消される。

本実施例の光スキャナによれば、揺動体の揺動軸の延長線上にある支持枠107の部位に光検出器を1つ設けることで、光走査範囲内に配置された反射部に対して、これからの反射光を受ける適切な位置に光検出器を、光スキャナと共に、容易に配置できる。また、揺動体を含む光スキャナの部分内に光検出器があるので、装置の小型化も容易となる。

特に、光走査の中心を挟んで走査範囲の両側に反射部114、115を配置した場合、これら反射部の角度を適切に設定すれば、これらからの反射光を光検出器に導くことができ、こうした設定は容易である。更に、走査の中心を挟んで走査範囲の両側に反射部114、115を対称的に配置した場合、両側の反射部からの距離が同じになる様に、光スキャナと一体的に光検出器を容易に配置できる。この場合、揺動軸の回りに揺動体が左右対称で揺動すれば、走査中心を通過する時間から各反射部の反射光が光検出器に達する時間までの時間間隔は常に同一になる。従って、光検出器において、揺動体が正常に動作しているか否かの判断が簡単に行え、光スキャナの制御が行い易くなる。

図4は、本光スキャナを用いた画像形成装置の一例を示す。図4（b）は、図4（a）を矢印ｂの方向から見た図である。この構成において、コイル113に前述の如く電流を流すことで、揺動体104の永久磁石110にトルクが作用し、揺動体101が揺動する。この揺動体101に光源130から光ビームが照射されると、揺動体101が左右に振れることで偏向光が矢印117及び矢印118の様に往復走査される。このときの光走査の範囲は、反射部114、感光体116、反射部115を含む範囲である。

この様に動作させるために、反射部114、115を図示の位置に用意する。また、揺動体101で反射・偏向された偏向光119は、反射部114で反射されて反射光120となり、光スキャナの支持枠107上に作製された光検出器108に達する様になっている。同様に、走査範囲の反対側において、揺動体101に反射・偏向された偏向光121は、反射部115で反射されて反射光122となり、支持枠107上の光検出器108に達する様になっている。

ここで、光検出器108は図1に示す様にねじりバネの軸の延長線上に用意されている。また、図4（b）に示す様に、反射部115は、光検出部108に反射光122が導光される様に角度設定されて配置されている。このとき、揺動体101を等角速度で揺動するための駆動信号の上記A₁、A₂、φを算出するためには、光検出器108は、光スキャナの位置を中心として、各反射部から等距離にあるのが好ましい。本例の様に光スキャナの揺動軸の延長線上に光検出器を設ければ、上記位置関係を正確に設定するのが容易になりA₁、A₂、φを正しく算出することが容易となる。この点、光スキャナと光検出器が別々であったり複数の光検出器であったりすると、上記位置関係を正確に設定するのは容易ではない。

上記実施例では、光スキャナの揺動軸の延長線上にある支持枠の部位に1つの光検出器を配置したが、支持枠の他の部位に配置してもよい。上記の配置がより好ましいが、こうしても、反射部を適切な角度で配置して反射光が光検出部に導光される様にすればよい。また、揺動体、支持枠、ねじり軸なども、上記の形状や態様のものに限らない。例えば、揺動体や支持枠は、円形等であってもよいし、支持枠は揺動軸を支えることができれば、複数（例えば、2つ）の部分に分離している形態などであってもよい。揺動体の数も、図7に示す様に1つであったり、3つ以上であったりしてもよい。支持形式も両持ち梁式に限らず、図8(a)、(b)に示す様に片持ち梁式などでもよい。片持ち梁式の場合は、図8(a)のように枠を設けてもよいし、図8(b)のように枠を設けなくともよい。枠がない場合は、例えば図8(b)に示す位置に光検出器108を設けてもよいし、支持部107のその他の部位に設けてもよい。

駆動手段も、上記電磁方式のものに限らず、静電方式、圧電方式などにより振動系に駆動力を印加することも可能である。電磁駆動の場合、永久磁石とコイルを上記配置とは逆の配置としてもよい。静電駆動の場合は、少なくとも1つの揺動体に電極を形成し、この電極との間に静電力を働かせる様な電極を揺動体の近傍に配置する。圧電駆動の場合は、圧電素子を振動系や支持部に設けて駆動力を印加する。駆動手段を制御する駆動制御部は、振動系が上記の態様で振動運動する様な駆動信号を発生可能な構成となっており、その駆動信号を駆動手段に印加する。駆動信号は、例えば、三角関数テーブルを用いて正弦波を合成した信号をそのまま用いる駆動信号でもよいし、また、三角関数テーブルを用いて正弦波を合成した信号に基づいて生成したパルス状の駆動信号でもよい。正弦波を合成した駆動信号の場合は、上記の如く各正弦波の振幅と位相を調整することで所望の駆動信号を得ることができる。また、パルス状の信号を用いて駆動する場合は、正弦波を合成した信号に基づいてパルスの数、間隔、幅などを時間的に変化させることで所望の駆動信号を生成することができる。

光検出器の検出結果は、駆動信号の補正に用いるのみでなく、上記特許文献1の説明のところで述べた様に、検出したタイミングから計時して、画像信号によって変調された光ビームが感光体上に適切に走査される様にする制御のためなどにも用い得る。

（実施例2）
実施例2は、本発明による光スキャナの第2の態様である。本実施例の動作は基本的に実施例1と同じである。図5に示す様に、実施例1との違いは、光検出器が光検出器123及び光検出器124の2つになっていることである。

また、光検出器123、124は、図5で示す様に、揺動軸に直交する線上にあって、光源からの光を反射する揺動体101と横方向に揃った位置に配置されている。

動作を図4（a）及び図5を用いて説明する。揺動体101で偏向された偏向光119は、反射部114を介して、光スキャナの支持枠107に作製された一方の光検出器に反射光120として導光される。同様に、揺動体101で偏向された偏向光121は、反射部115を介して、光スキャナの支持枠107に作製された他方の光検出器に反射光122として導光される。

本実施例の場合、実施例1と比べて光検出器が複数になるが、光スキャナの揺動体101の極近傍に横方向に整列して光検出器123、124が設けられている。よって、光検出器の位置は光スキャナの位置の中心から略等距離とみなせる。従って、本実施例でも、走査の中心を挟んで走査範囲の両側に反射部114、115を対称的に配置した場合、両側の反射部から光検出器123、124への距離が同じになる様に、光スキャナと一体的に光検出器を容易に配置できる。

また、揺動軸に直交する線上にあって、揺動体101を挟んで両側の位置に少なくとも2つ光検出器を有することで、図4（b）に示す様に角度を付けて反射部114、115を配置することが必ずしも必要でなくなる。更に、光スキャナからの偏向光が水平に走査しているかどうかを容易に判断でき、光スキャナの制御がし易くなる。

本実施例でも、光検出器の配置位置、振動系の形状などは上記の態様に限らない。光検出器は、揺動体101と横方向に整列していないが揺動体101の揺動軸を挟んで対称な位置に配置してもよい。ただし、この場合は、図4（b）に示す様に角度を付けて反射部114、115を配置する必要がある。

（実施例3）
実施例3は、本発明による光スキャナを含む画像形成装置の例である。本実施例における光スキャナの動作も、基本的に実施例1または実施例2と同じである。本実施例でも、図6に示す様に、光スキャナによって走査される光ビームの少なくとも一部は、結合レンズ125によって光照射対象物である感光体116上に結像される。

本実施例では、この結合レンズ125の走査中心を挟んだ両端部に、反射部114及び反射部115を貼り付けるか、若しくはコーティングなどによって形成するのが特徴である。このことで、別途反射部を用意することなく、前述と同様の動作を行うことができる。結像レンズ125が高精度に加工された型から形成される場合は、一体形成された反射部も精度良く加工でき、光スキャナによる走査光の角度検出精度を向上できる。

本発明による光スキャナの実施例1の上面図。 光スキャナの駆動部を示す断面図。 光スキャナの振動の変位角及び角速度を説明する図。 実施例1の光スキャナを用いた画像形成装置を説明する図。 本発明による光スキャナの実施例2の上面図。 本発明による光スキャナを用いた画像形成装置の実施例を説明する図。 本発明による光スキャナの変形例を示す上面図。 本発明による光スキャナの他の変形例を示す上面図。 従来例の画像形成装置を説明する図。

符号の説明

100：プレート部材（シリコンプレート部材）
101、104：揺動体（第1の揺動体、第2の揺動体）
102、103、105、106：ねじりバネ
107：支持部（支持枠）
108、123、124：光検出器
110：駆動手段（永久磁石）
112：駆動手段（コア）
113：駆動手段（コイル）
114、115：反射部
116：光照射対象物（感光体）
119、121：偏向光
120、122：反射光
125：結像レンズ
130、230：光源

Claims (7)

1. 光源からの光ビームを偏向する光スキャナであって、
   支持部と、揺動体と、該揺動体を前記支持部に対して揺動軸の回りに揺動可能に支持するねじりバネと、
   前記揺動体を駆動するための駆動手段と、
   少なくとも1つの前記揺動体に設けられた前記光ビームを反射する光反射素子と、
   前記揺動体で偏向された偏向光を反射する反射部と、
   前記反射部で反射された反射光を検出する少なくとも１つの光検出器と、を備え、
   前記光検出器は前記支持部に設けられている、
   ことを特徴とする光スキャナ。
2. 前記反射部は、前記偏向光の走査中心を挟んで対称な位置に夫々1つ設けられていることを特徴とする請求項1に記載の光スキャナ。
3. 前記光検出器は、前記揺動軸の延長線上にある前記支持部の部位に1つ設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の光スキャナ。
4. 前記光検出器は、前記揺動軸を挟んで前記支持部の両側の対称な部位に夫々1つ設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載の光スキャナ。
5. 前記支持部と前記揺動体はシリコンプレート部材から一体的に形成されていることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の光スキャナ。
6. 請求項1乃至5の何れか1項に記載の光スキャナと、光源と、光照射対象物と、を有し、
   前記光スキャナは、前記光源からの光ビームを反射・偏向し、該光ビームの少なくとも一部を前記光照射対象物に入射させる、
   ことを特徴とする光学機器。
7. 前記光ビームの少なくとも一部は、結像レンズを介して前記光照射対象物に入射し、前記反射部は、前記結像レンズの両端部に設けられていることを特徴とする請求項6に記載の光学機器。

Images