JP2010002454A

JP2010002454A - 光走査装置

Info

Publication number: JP2010002454A
Application number: JP2008158876A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Sogami; 淳曽我美; Keisuke Fujimoto; 圭祐藤本; Masaichiro Tachikawa; 雅一郎立川; Masanori Yoshikawa; 正紀吉川
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2010-01-07

Abstract

【課題】異種材料を貼り合わせて構成された振動ミラーを用いた光走査装置において環境温度が変化しても性能劣化のない安価な装置を提供する。
【解決手段】線膨張係数の異なる材料で構成されたミラー５と振動子１とを接合して構成された振動ミラー素子を用いた光走査装置において、環境温度変化による振動ミラー素子の変形によって生じるビーム結像位置の変化をキャンセルする作用を及ぼす回折素子を光学系中に設けることで、環境温度が変化してもビーム結像位置の変化がなく性能劣化のない装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源からの光を振動ミラーによって走査させ所定の像面上に結像させる光走査装置に関する。

レーザプリンタ等の画像形成装置は、レーザ光を走査することにより、感光体（感光ドラム）上に潜像を形成する。このようなレーザ光の走査は、レーザスキャニングユニットと呼ばれる光走査装置により実現される。レーザスキャニングユニットは、形成画像に応じて変調されて光源から出射されたレーザ光をミラーにより偏向し、偏向したレーザ光を感光体上にスポット状に結像する。この種のレーザスキャニングユニットに使用される偏向ミラーとして、複数の反射面を有するポリゴンミラーが広く知られている。ポリゴンミラーを備えるレーザスキャニングユニットは、モータ等の駆動手段によりポリゴンミラーを一方向に回転させることによりレーザ光を偏向する。

近年の書込速度高速化の要求に応じて、ポリゴンミラーの回転速度は高まっているが、ポリゴンミラーの回転数を高めると、風切音やモータの振動等に起因して発生する音が大きくなり静寂性を確保することが困難になる。また、ポリゴンミラーを備えるレーザスキャニングユニットは、モータ等の駆動手段を備える必要があるため、小型化や軽量化が困難であるという問題もある。このため、レーザスキャニングユニットに往復型の偏向ミラーが使用されることもある。

このような往復型の偏向ミラーとして振動ミラーが知られている。この振動ミラーは、レーザ光の走査方向に対して垂直方向に配置されたねじり回転軸を有する機械的振動子により構成されている。そして、振動子に支持されたミラーを往復振動させることでレーザ光を走査させる。

近年、このような振動ミラーの製造に半導体製造技術が適用されるようになっている。このような振動ミラーは、単結晶シリコン基板等の半導体基板を加工することにより形成され、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）振動ミラーとして注目されている（例えば、特許文献１、２等参照。）。
特開２００３−８４２２６号公報特開２００１−３０５４７２号公報

しかしながら、上述のような半導体製造技術を適用したＭＥＭＳ振動ミラーを製造するためには、リソグラフィ装置等の非常に高価な製造設備が必要であり、低コストで製造することが困難である。また、シリコン単結晶基板等の半導体基板を基材として形成されたＭＥＭＳ振動ミラーは、比較的容易にへき開するためハンドリングの際に破損しやすいという課題もある。

また、これに対し、金属材料を加工することにより振動板を構成し、この振動板にレーザ光を反射するためのミラーを貼り付けて振動ミラーを構成することも可能である。このとき、ミラーの基材にはガラスやシリコンなど比較的安価で鏡面を形成しやすい材料を用いるのが好ましい。さらに振動板およびミラーは高速化の観点からすると慣性モーメントを小さくするのが好ましく、したがってこの構成は厚みをあまり大きくできないものである。ここで、振動板とミラーが線膨張係数の異なる別の材料が貼りあわされた構成では、環境温度が変化したときにバイメタル効果により反り変形が生じる。さらに、このミラーの反り変形が生じるとビームの光軸方向における結像位置が変化してしまい、所定の像面においてはビームが絞れずに解像度の低下を招くなどの問題が生じる。この構成では、前述したように厚みをあまり大きくできないので、そのような問題を避けられないという課題があった。

本発明は、このような実情を鑑みて従来の課題を解決するものであって、異種材料が貼りあわせて構成された振動ミラーにおいても品質低下のない光走査装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は以下の技術的手段を採用している。

まず、本発明は、光を発する光源と、互いに線膨張係数の異なる材料で構成されたミラーと振動板とが接合されて構成されており、そのミラー又はその振動板の面に沿った一の線を軸として往復振動することで、前記光源からの光をそのミラーで反射しかつ走査する振動ミラー素子と、前記光源が発した光を像面上に結像させるための光学系とを備える光走査装置を前提としている。

そして、このような光走査装置において、前記光学系を、その中に、環境温度変化による前記振動ミラー素子の変形によって生じるビーム結像位置の変化を補正する作用を及ぼす回折素子を備えたものとしている。

ここで、前記光学系は、シリンドリカルレンズをさらに備え、前記回折素子をこのシリンドリカルレンズのレンズ面上に設けることができる。あるいは、前記光学系は、コリメータレンズをさらに備え、前記回折素子をこのコリメータレンズのレンズ面上に設けることもできる。

さらに、前記振動ミラー素子は、その光を走査する方向における前記ミラーと前記振動板との接合部の長さを、この方向におけるそのミラーの有効長さに対し70%以上に構成することもできる。

本発明によれば、光走査装置に用いる振動ミラーを線膨張係数の異なる別々の材料で構成される振動板とミラーを貼り合わせて構成した場合でも、環境温度変化によるミラーの変形に伴うビームの結像位置変化を回折素子で補正することができ、安価で品質の良好な装置を提供することが可能である。

すなわち、環境温度が変化してミラーが反り変形しても回折素子によってビーム結像位置が補正され品質を保つことができる。そして、製造工程中にミラーに反りが発生したときでも、ミラーの反り量に合わせて光学系の調整をすることで組立時における初期的なビーム結像位置のずれを補正することが可能である。さらに、その後、環境温度が変化してミラーの反りが変化した場合でも回折素子の補正作用でビーム結像位置を一定に保つことが可能である。

また、補正作用を及ぼす回折素子を、シリンドリカルレンズ、コリメータレンズなどのレンズの面上に設ければ、光学系に既存のレンズと兼用させることができ安価に構成できる。

また、ミラーと振動板とを貼りあわせた場合、ミラーと振動板との接合部においては温度変化により反りが生じるのに対し、ミラーにおいて接合されていない部分については反りが発生しないため、接合部とそれ以外の部分とで曲率が異なり、反射光が一点に結像しない問題が発生することが考えられるが、振動ミラー素子を、その光を走査する方向におけるミラーと振動板との接合部の長さを、この方向におけるそのミラーの有効長さに対し70%以上に構成すれば、反射光の一点への結像について、比較的良好なレベルを保つことが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（振動ミラーの構成）
まず、本発明の光走査装置の一例であるレーザスキャニングユニットに搭載される振動ミラー１０の構造について詳細に説明する。図１は、本実施形態の振動ミラー１０の構造を示す概略斜視図である。図１に示すように、振動ミラー１０は、後述するプレス加工により成形された振動子１と、ミラー５と、永久磁石６とを備え、これらはそれぞれ接着剤により貼り合わされて構成されている。

ここで、振動子１はチタン合金などの金属材料で構成され、ミラー５はシリコンやガラスなどの材料で構成されるが本実施例においてはシリコンが用いられている。振動子１は、ミラー５および永久磁石６が固定される支持部４が同一直線上に配置された２本の梁３により支持された構造を有する。梁３の他端は、振動子１として一体に成形された矩形状の枠体２に支持されており、振動子１は梁３をねじり回転軸として往復振動する。この往復振動は、永久磁石６に交番磁場を付与することで持続される。

永久磁石６に付与する交番磁場は、例えば、電磁石に交流電力を印加する駆動手段１１により生成できる。この場合、往復振動の周波数、すなわち、電磁石に印加する交流電力の周波数（以下、駆動周波数という。）と振動ミラー１の共振周波数とが一致していると、振動ミラー１０の駆動のための消費電力を小さくすることができる。振動ミラー１０が共振周波数で往復振動する場合、振動を維持するために必要な外力の大きさが最小になるからである。

振動ミラー１０を介してレーザ光を感光体上で走査させるレーザスキャニングユニットでは、駆動周波数は感光体上の記録密度および印字速度（感光体の送り速度）に密接に関係する。すなわち、駆動周波数ｆは、記録密度Ｄ（ｄｐｉ）、印字速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）により以下の式１で示される。

式１は、振動ミラー１０がねじり回転軸に対していずれの方向に回転している場合にも印字を行う往復印字を前提としている。振動ミラー１０がねじり回転軸に対して一方向に回転している場合にのみ印字を行う片方向印字の場合には、駆動周波数ｆは２倍になる。例えば、記録密度Ｄが６００ｄｐｉであり、印字速度Ｖが１８０ｍｍ／ｓｅｃである場合、駆動周波数ｆは、約２１２６Ｈｚ（往復印字）である。

また、以上の構造を有する振動ミラー１０の共振周波数ｆ₀は、梁３のばね定数Ｋ（両方の梁３の合計）と、ミラー５および永久磁石６を含む支持部４の慣性モーメントＪとにより、以下の式２で示される。

一方、本実施形態では、振動子１が金属材料により構成されているため、往復振動中に梁３に付加されるせん断応力が梁３の許容応力を超えると、振動子１が破損してしまう。このため、構造上、振動子１には、梁３に付加されるせん断応力が、梁３の許容応力以下であることが求められる。各梁３のねじり回転軸方向の長さをＬ、梁３の幅をｂ、梁３の厚さをｔ（ここでは、ｔ≦ｂ）、梁３に付与されるトルクをＴとすると、梁３の表面において幅方向の中点でのせん断応力τ_Aは、以下の式３により表現される。

また、梁３の表面において厚さ方向の中点でのせん断応力τ_Bは、以下の式４により表現される。

さらに、梁３の単位長さあたりのねじれ角ω（共振周波数で往復振動しているときの最大振り角θ／梁長Ｌ）は、梁３の横方向弾性係数Ｇを用いて、以下の式５により表現される。

この場合、ばね定数Ｋは、以下の式６を満足する。

したがって、梁３は、式３および式４に示すせん断応力τ_Aとτ_Bとが、梁３の許容応力以下であり、かつ式２、式５および式６を満足する必要がある。

以下、振動ミラー１０の具体的な構造をその設計手順とともに説明する。振動ミラー１０を設計する場合、まず、振動子１を構成する金属材料を選定する。上述のように、振動子１はプレス加工により成形される。このような成形を可能とするために、金属材料はフープ材であることが望ましい。また、往復振動に起因する金属疲労を生じることがなく、かつ梁３の許容応力を大きくするという観点では、振動子１を構成する金属材料は、大きな疲労限度を有することが望ましい。

さらに、慣性モーメントＪを小さくする（共振周波数ｆ₀を大きくする）観点では、密度が小さいことが好ましく、往復振動の振り角θを大きくする観点では、横弾性係数Ｇが小さいことが好ましい（上記式５参照）。加えて、耐環境性能の観点からは材料的に安定しており、価格も安価であることが好ましい。そこで、本実施形態では、以上の条件を全て満足する金属材料としてチタン合金（Ｔｉ−１５Ｖ−３Ｃｒ−３Ｓｎ−３Ａｌ、ＡＭＳ４９１４）を採用している。当該チタン合金の疲労強度は３５０ＭＰａであり、密度は４．７ｇ／ｃｍ³である。なお、振動子１を構成する金属材料として、他の金属を採用することも可能である。

振動子１を構成する金属材料を選定した後、振動ミラー１０の振り角、ミラー５の材質およびサイズ、永久磁石６の材質およびサイズを決定する。振動ミラー１０の振り角およびミラー５のサイズは、レーザスキャニングユニットとして所望のビーム特性を得るのに必要な振り角およびサイズに決定される。当該ビーム特性は、振動ミラー１０と、振動ミラー１０により反射されたビームを感光体上に結像するレンズとの間の距離等のレーザスキャニングユニットの構造に依存して決まる。

例えば、記録密度Ｄが６００ｄｐｉであり、印字速度Ｖが１８０ｍｍ／ｓｅｃである場合、振り角は±２３度、ミラー５のサイズは幅４．７ｍｍ×長さ（ねじり回転軸方向）０．８ｍｍ×厚さ０．１５ｍｍとすることができる。なお、ここではミラー５の平面形状を矩形としているが、所望のビーム形状のレーザ光を反射可能であれば、楕円形状等の他の平面形状であってもよい。また、ミラー５の材質はレーザ光を反射可能な材質であればよく、ここではシリコンからなるベース材料にアルミなどの材料からなる反射膜を設けさらにその上に保護膜を設けた構成になっている。

次いで、上記チタン合金の疲労強度に基づいて許容応力を決定する。許容応力は、チタン合金の疲労強度曲線（Ｓ−Ｎ曲線）に基づいて決定することができる。図３は、上記チタン合金のＳ−Ｎ曲線を示す図である。上述のように、当該チタン合金の疲労限度は３５０ＭＰａであり、最大振り角時に梁３に付与される最大応力が当該疲労限度以下とすれば、半永久的な寿命を実現することができる。ここでは、疲労限度３５０ＭＰａに対して１００ＭＰａのマージンを設けた２５０Ｍｐａを許容応力としている。

ミラー５は、振動子１の支持部４に接着剤で接合されるが、前述のように振動子１とミラー５は異なる材料で構成されており、それぞれ線膨張係数が異なる。振動子１を構成するチタン合金の線膨張係数は８．５×１０^-6／℃であり、ミラー５を構成するシリコンの線膨張係数は３×１０^-6／℃となっている。線膨張係数が異なる材料が接合されて構成されているため、環境温度が変化するとそれぞれの材料の伸縮量が異なるために接合部分においてバイメタル効果によって一定の曲率で反り変形が生じる。ただし、接合されていない部分については変形が生じないためミラーの外側部分については内側部分の反りの延長で面が傾斜しているものの曲率を持たない。

図４に環境温度が接合時より高温に変化したときのミラー５と振動子1における支持部４のねじり軸方向から見た変形状態の例を示す。ミラー５より振動子1の伸びが大きいためミラー面側に凹形状に変形する。ミラー５は一定の曲率で反った場合には、光軸方向における結像位置は変化するもののミラーからの反射光を結像レンズなどの手段によって一点に集光することが可能である。

一方、ミラーの中に曲率が異なる部分がある場合にはそれぞれの部分ごとに結像位置が異なるため一点に集光することができず、ビームが十分に絞れないという問題が発生する。このため、本発明においては、ミラー５と振動子支持部４のミラー走査方向における接合長さをミラー有効領域の７０％以上となるように構成している。ミラー中央部の曲率が一定の領域を７０％以上設けることでビームを実用上問題のないレベルまで絞ることが可能となっている。
永久磁石６は、この支持部４に固定可能なサイズで、振動ミラー１０を往復振動させる外力を発生しうるものであればよい。ここでは、永久磁石６として、径０．８ｍｍ×厚さ０．４の希土類磁石を使用している。

続いて、振動子１の厚みを仮設定し、ミラー５および永久磁石６を固定した状態、すなわち、ミラー５、永久磁石６、ミラー５を支持部４に固定するための接着部材および永久磁石６を支持部４に固定するための接着部材を含めた状態で、慣性モーメントＪを算出する。そして、当該慣性モーメントＪおよび式２より、所望の共振周波数ｆ₀が得られるばね定数Ｋを算出する。そして、算出したばね定数Ｋと式３〜式６を用いて、式３および式４のせん断応力τ_A、τ_Bが許容応力２５０ＭＰａ以下になる条件下で、梁幅ｂおよび梁長Ｌを決定する。なお、梁厚ｔは、上記仮設定した支持部４の厚さと同一である。

（レーザスキャニングユニットの構成）
次に、上記のように構成された振動ミラーを備える本発明の光走査装置の一例であるレーザスキャニングユニットの構成について説明する。図２は、当該レーザスキャニングユニットを示す概略構成図である。レーザスキャニングユニット５０は、光源５２、偏向器５３とからなる一次光学系と、二次光学系となる結像レンズ系５４を筐体５１内に備える。

光源５２は、回路基板６３上に実装されたレーザダイオード６１と、コリメータレンズ６２とを備える一体のユニットとして構成されている。回路基板６３は、外部から入力される画像信号にしたがってレーザダイオード６１が出射するレーザ光の強度変調を行う。変調されたレーザ光はコリメータレンズ６２に入射される。コリメータレンズ６２は、円筒形状のガラスまたはプラスチックのレンズからなり、レーザダイオード６１から出力されたレーザ光をコリメータレンズ６２の光軸と一致した略平行光に変換して出力する。なお、レーザダイオード６１の発光点は、コリメータレンズ６２の焦点に配置されている。

光源５２から出力されたレーザ光は、アパーチャ５５、シリンドリカルレンズ５６を通じて偏向器５３の反射面に入射される。偏向器５３は、感光体上でのレーザ光の走査方向に対して垂直方向に配置されたねじり回転軸を有する振動ミラー１０と、当該振動ミラー１０を正弦的に往復振動させる駆動手段１１とにより構成されている。シリンドリカルレンズ５６は、振動ミラー１０の反射面上に、レーザ光のねじり回転軸方向（図２の紙面に垂直な方向）のみを収束させた状態でレーザ光を投影する。

偏向器５３により偏向されたレーザ光は結像レンズ系５４に入射される。そして振動ミラー１０の振動により、レーザ光が矢印Ａ方向に走査する。ここでは、結像レンズ系５４は、２枚のアクリルレンズにより構成されており、偏向器５３により偏向されたレーザ光を、感光体上の走査速度が略同一となる状態で感光体上にスポット状に結像させる。すなわち、結像レンズ系５４は、正弦的に振動する反射ミラー１０により反射され、入射角が時間とともに三角関数的に変化するレーザ光を、感光体上に等間隔なスポット列として結像させるアークサインθレンズになっている。

以上のように構成されたレーザスキャニングユニットにおいて、シリンドリカルレンズ５６は側面から見ると図５のようにシリンドリカル面５６（ａ）と平面５６（ｂ）で構成されており、平面５６（ｂ）側には、グレーティングからなる回折素子が形成されている。この回折素子は前述の環境温度変化によって生じるミラーの反り変形によるビーム結像位置の変化を、ビームの回折によってキャンセルする作用が働くよう構成されている。

図６を用いてビーム結像位置の補正作用について説明する。図６のグラフ中において横軸は環境温度、縦軸は光軸方向におけるビーム結像位置を標準温度のときの結像位置をゼロとして表している。グラフ中において、実線はミラーの変形によるビーム結像位置の変化成分を示すものであり、点線は回折素子のビーム結像位置の補正作用を表すもので、一点鎖線はレーザスキャニングユニット全体としてのビーム結像位置変化を表すものである。

上記一次光学系において、ミラー変形による変化成分については、標準温度時にはミラーは平面を保っておりこのときの光軸方向のビーム結像位置をゼロ基準位置とすると、環境温度が高温側に変化するとチタン合金振動板１の方がシリコンミラー５より伸張する。このためミラー５はミラー面側に凹形状に反りを生じ、ビームの結像位置がミラー５に近づく方向（マイナス方向）に移動する。これに対し、環境温度が低温側に変化するとミラー５がミラー面側に凸形状に反るため、逆にビームの結像位置がミラー５から遠ざかる方向（プラス方向）に移動する。

一方、回折素子のビーム結像位置の補正作用については、このミラー変形によるビーム結像位置変化をキャンセルするように設計されている。この回折素子としては、例えば特開平１０−２８８７４４に示されるような公知の回折素子などを採用することができ、この回折素子の斜面の角度を調整することで、ビームの回折方向を変化させることができる。

これにより、本実施の形態における回折素子は、環境温度が高温側に変化したときにはビーム結像位置が遠ざかる方向（プラス方向）に移動し、環境温度が低温側に変化したときにはビーム結像位置が近づく方向（マイナス方向）に移動するよう構成されている。ここで環境温度が変化したときの回折素子の動作について説明する。環境温度が変化するとレーザダイオード６１は発光波長が長くなる特性を持っている。レーザ光の波長が変化すると回折角が変化するため、回折素子はレーザビームの光路を変化させこの結果ビーム結像位置を変化させるものである。このときのビーム結像位置の変化量は回折格子の形状を斜面の角度により変化させることによって調整することが可能でミラーの反りによる変化に合わせて設計されている。この結果、レーザスキャニングユニット全体としては、ミラー５の変形によるビーム結像位置の変化をシリンドリカルレンズ５６の回折素子が補正することで、環境温度が変化してもビーム結像位置を一定の位置に保つことが可能となるものである。回折素子には一般的によく知られるグレーティングなどの構成を用いることが可能である。

上記のような構成によると振動子１とミラー５を異なる材料で貼り合わせて構成しても性能を劣化させることがないため、振動子１として安価で加工しやすく振動特性のよい金属材料を用い、ミラー５として鏡面を形成しやすいシリコンやガラスなどの材料を用いるなど、それぞれの部品に適した材料を選択することができ安価に高性能の装置を提供できるものである。また、回折素子をシリンドリカルレンズ５６の一面に形成することで特別に新たな素子を設けることなく安価に構成することができるものである。

上記の例においては、回折素子をシリンドリカルレンズ５６の一面に形成する場合について述べたが、回折素子はコリメータレンズ６２の一面に形成されていてもよく、同じ効果が得られるものである。また、シリンドリカルレンズ５６とコリメータレンズ６２の両方に回折素子が設けられていてもよい。

また、ミラー５の面上でレーザビームを振動子１の軸方向には絞った状態となっており、ミラー５が軸方向に反ったとしても結像位置の変化はほとんどないため、回折素子は軸に垂直な方向のみに作用する構成としてもよい。

ミラー５は素材自体の反り、接着工程における反りなどによって初期的に反っている場合も考えられる。特に接着工程においては、材料が温度上昇する過程が考えられ、温度が上がった状態で２つの異なる材料が固着されると室温に戻ったときに線膨張係数の差による反りが発生するものである。ミラー５の反りは前述のようにビームの結像位置を変化させるが、この初期的な結像位置のずれについては、レーザダイオード６１とコリメータレンズ６２の間隔およびシリンドリカルレンズ５６の光軸方向の位置によって調整可能である。

したがって、レーザスキャニングユニットを組み立てるときには、ミラー５を搭載した後に、ミラー５の反り量に合わせてレーザダイオード６１とコリメータレンズ６２の間隔およびシリンドリカルレンズ５６の光軸方向の位置を調整するのが好ましい。初期的にビーム結像位置を調整しておけば、その後環境温度が変化しても回折素子の補正作用によってビーム結像位置は一定に保たれるものである。

（振動ミラーの製造方法）
次に、振動ミラー１０の製造方法について説明する。図７は、振動ミラー１０を構成する振動子１の製造に使用する金型の一例を示す平面図である。なお、図７では、ダイパンチの形状と位置のみを模式的に示している。

図７に示すように、金型３０は、マルチステップの順送プレス加工により振動子１を成形する構造を有している。図７の例では、５ステップのプレス加工により振動子１が成形される。すなわち、領域３１では、板状の金属材料にガイド孔が形成される。領域３２では、梁３の幅方向の一方の端面が形成される。

この時点では、支持部４は枠体２から分離されない。領域３３では、梁３の幅方向の他方の端面が形成される。領域３２と同様に、この時点では、支持部４は枠体２から分離されない。領域３４では、支持部４の幅方向の一方が枠体２から分離されて端面が形成される。そして、領域３５では、支持部４の幅方向の他方が枠体２から分離されて端面が形成される。

振動子１の製造工程では、以上の金型３０に対して、コイルフィーダー等を使用して帯状の金属材料が送り込まれる。図８は、図７に示す金型３０による振動子１の製造過程を示す平面図である。図８に示す矢印は金属材料４０の送り方向を示している。図８において、金属材料４０の領域４１、４２、４３、４４、４５が金型３０の領域３１、３２、３３、３４、３５によりそれぞれ成形された部分である。

図８に示すように、金型３０の各領域３１〜３５を通過し、５回のプレス加工が完了すると、振動子１の成形が完了する。５回のプレス加工が完了した金属材料４０は、順次、振動子１として切断分離される。以上のようなプレス加工を使用することにより、枠体２、梁３、支持部４が一体に形成された振動子１を容易に製造することができる。

以上のようにして形成された振動子１の支持部４には、永久磁石６およびミラー５が順に装着される。永久磁石６の装着には、支持部４の永久磁石搭載面を上方に向けて振動子１を固定支持する機能と、永久磁石６をピックアップして永久磁石搭載面上に搬送する機能とを有する実装装置を使用する。当該実装装置としては、例えば、プリント基板等に電子部品を実装する公知のマウンタ等を流用することができる。

上記実装装置に振動子１が永久磁石搭載面を上方に向けて固定支持されると、実装装置の搬送手段が備える真空コレット等の吸着手段により、当該振動子１に搭載される永久磁石６がピックアップされる。永久磁石６を吸着した搬送手段は、振動子１の永久磁石搭載面の上方に移動する。

この移動の過程で、永久磁石６の永久磁石搭載面との接触面にエポキシ樹脂等の接着部材が塗布される。そして、搬送手段は、永久磁石６の接着部材が塗布された面を永久磁石搭載面に接触させ、永久磁石６を永久磁石搭載面上に配置する。なお、永久磁石搭載面上における永久磁石６の配置位置は、公知の画像認識等により、振動ミラー１０の対称性を維持した状態に厳密に位置合わせされる。永久磁石６が装着された振動子１は、実装装置から搬出される。

永久磁石６が固定されると、当該振動子１のミラー搭載面にミラー５が装着される。ミラー５の装着には、永久磁石６が固定された支持部４のミラー搭載面を上方に向けて振動子１を固定支持する機能と、ミラー５をピックアップしてミラー搭載面上に搬送する機能とを有する実装装置を使用する。当該実装装置としては、例えば、プリント基板等に電子部品を実装する公知のマウンタ等を流用することができる。

上記実装装置に永久磁石６が固定された振動子１がミラー搭載面を上方に向けて固定支持されると、振動子１の支持部４におけるミラー５と接合される領域にエポキシ樹脂などの接着剤が塗布される。この後、実装装置の搬送手段が備える真空コレット等の吸着手段により、当該振動子１に搭載されるミラー５がピックアップされ、ミラー５を吸着した搬送手段は、振動子１のミラー搭載面の上方に移動し、ミラー５をミラー搭載面上に配置する。

なお、ミラー搭載面上におけるミラー５の配置位置は、公知の画像認識等により、振動ミラー１０の対称性を維持した状態に厳密に位置合わせされる。ミラー５が装着された振動子１は、実装装置から搬出される。

以上のようにして振動ミラー１０を構成することにより、従来のように、半導体製造装置等の極めて高価な製造設備を使用することなく、低コストで振動ミラーを製造することができる。

なお、本実施形態では、支持部４を成形するための複数回のプレス工程を同一方向から実施している。そして、支持部４のプレス加工方向上流側の面をミラー搭載面とし、プレス加工方向下流側の面を永久磁石搭載面にしている。図９は、図２のＸ−Ｘ線における断面構造を示す断面図である。

図９に示すように、プレス加工により金属材料を成形する場合、プレス加工方向の下流側にバリが発生することがある。上述のように、支持部４のミラー搭載面のサイズは、ミラー５のサイズよりも小さくなっている。したがって、ミラー５をミラー搭載面に固定した場合、ミラー５の一部がミラー搭載面の外方へ突出する。しかしながら、ミラー５をプレス加工方向上流側の面に固定する構成とすることで、バリの有無に関わらずミラー５をミラー搭載面に密着して固定することができる。

また、永久磁石６のサイズは、支持部４の永久磁石搭載面のサイズより小さいため、バリが形成された状況下であっても、永久磁石６と支持部４とを密着して固定することができる。したがって、本構成によれば、バリの有無に関わらず、ミラー５と永久磁石６とを常に同一の状態で支持部４に固定することができる。このため、プレス加工の過程でバリが形成された場合であっても、バリを除去する必要がなくバリ除去工程の追加による製造コストの増大を防止できる。

（共振周波数の調整方法）
ところで、以上で説明した手法により設計、製造された振動ミラー１０は、プレス加工の加工精度、ミラー５や永久磁石６の固定に使用する接着部材の付着量の差異等に起因する個々の振動ミラー１０の個体差が、半導体製造技術を使用した形成された振動ミラーに比べると大きくなってしまう。このような個体差は、各振動ミラー１０の共振周波数ｆ₀の差異として顕在化する。上述のように、レーザスキャニングユニットでは、共振周波数ｆ₀は感光体上の記録密度および印字速度を決定するパラメータである。このため、共振周波数ｆ₀は一定の範囲内に属している必要がある。

図１０は、駆動周波数ｆと共振周波数ｆ₀との差異がレーザスキャニングユニットに与える影響を示す図である。図１０（ａ）は、電磁石に印加する交流電力が一定である場合の、周波数比（ｆ／ｆ₀）と振幅（振り角）との関係を示している。また、図１０（ｂ）は、振幅を一定にする場合の、周波数比と交流電力の大きさとの関係を示している。図１０（ａ）において、横軸は周波数比に対応し、縦軸は振幅比に対応する。ここで、振幅比は、駆動周波数ｆと共振周波数ｆ₀とが一致する場合の振幅を基準として規格化している。また、図１０（ｂ）において、横軸は周波数比に対応し、縦軸は消費電力に対応する。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、振動ミラー１０の共振周波数ｆ₀と駆動周波数ｆとが一致している場合、非常に小さな消費電力で大きな振幅が得られている。そして、図１０（ａ）から理解できるように、駆動周波数ｆと共振周波数ｆ₀との間に不一致が発生すると、同一の印加電力により得られる振幅が急激に小さくなる。このため、駆動周波数ｆと共振周波数ｆ₀とが一致している場合と同一の振幅を得るために印加が必要な電力は急激に増大する（図１０（ｂ））。レーザスキャニングユニットとして使用する場合、振り角が所望の範囲内でなければ正常な画像形成を行うことができない。また、振動ミラー１０を駆動する駆動手段１１が電磁石に供給する電力を大幅に調整可能な構成を採用することはレーザスキャニングユニットの製造コストが増大するとともに、全体の消費電力も大きくなるため好ましくない。このため、製造される振動ミラー１０のそれぞれの共振周波数ｆ₀は、目標とする周波数の±０．５％の範囲内であることが望ましい。しかしながら、金属材料をプレス加工により成形した振動子１を使用した振動ミラー１０では、共振周波数ｆ₀の個体差は、目標とする周波数の±０．５％以上の範囲で変動する可能性がある。このため、上記振動ミラー１０は、共振周波数ｆ₀を調整する必要がある。

図１１は、共振周波数調整片を備えた共振ミラーの支持部構造の一例を示す平面図である。図１１に示すように、支持部４は、同一平面内の外方に延出された共振周波数調整片２１を備える。図１１の例では、ミラー５の外縁よりも外方に突出する状態でねじり回転軸方向に延出された共振周波数調整片２１が、支持部本体４ａの四隅のそれぞれに設けられている。なお、共振周波数調整片２１は、プレス加工により振動子１として一体に形成される。

この例では、レーザ照射等により各共振周波数調整片２１の一部または全部を除去することにより振動ミラーの慣性モーメントＪを減少させることができる。なお、振動ミラーの対象性を維持するため、各共振周波数調整片２１はそれぞれ同一長さだけ除去することが好ましい。この場合、慣性モーメントＪの減少量は、各共振周波数調整片２１の除去長さに応じて調整することができる。

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲において、種々の変形および応用が可能である。例えば、上記実施形態では、振動ミラーに永久磁石を搭載し、当該永久磁石に駆動手段が交番磁場を付与する構成を説明したが、振動ミラーの駆動方式は、本発明の効果を奏する範囲において任意に変更することができる。

以上説明したように、本発明によれば、振動板とミラーを線膨張係数の異なる材料で構成することにより環境温度変化によって反り変形が発生しても、この変形によるビーム結像位置の変化を補正する回折素子を光学系に含んで構成されているため、装置全体としてはビーム結像位置が変化することなく、性能を保つことが可能となるものである。このため、振動板に安価で加工しやすく振動特性のよい金属材料を用い、ミラーに鏡面を形成しやすいシリコンやガラスの材料を用いるなど、それぞれに適した材料を選択することができ、安価で高性能な装置を提供することが可能である。

本発明の光走査装置は、レーザプリンタ等の画像形成装置においてレーザ光を感光体に走査するものとして利用することができ、さらにそのような画像形成装置を備えるデジタル複写機などにも利用することが可能である。

本発明の一実施形態における光走査装置に用いられる振動ミラーの構造を示す概略斜視図本発明の一実施形態における光走査装置の構造を示す概略構成図チタン合金のＳ−Ｎ曲線を示す図環境温度が変化したときのミラーと振動子の反り状態の一例を示す図シリンドリカルレンズの側面図環境温度が変化したときのビーム結像位置の変化を示す図振動ミラーの製造に使用する金型を示す平面図振動ミラーの製造過程を示す平面図図２のＸ−Ｘ線における断面構造を示す断面図駆動周波数と共振周波数との差異がレーザスキャニングユニットに与える影響を示す図本発明の一実施形態における共振周波数調整片を備えた共振ミラーの支持部構造の一例を示す平面図

符号の説明

１振動子
２枠体
３梁（ねじり回転軸）
４支持部
５ミラー
６永久磁石
１０振動ミラー
２１共振周波数調整片
３０金型
４０金属材料（フープ材）
５０レーザスキャニングユニット
５２光源
５３偏向器
５４結像レンズ系（アークサインθレンズ）
５６シリンドリカルレンズ
Ｌ梁長
ｂ梁幅
ｔ梁厚

Claims

光を発する光源と、
互いに線膨張係数の異なる材料で構成されたミラーと振動板とが接合されて構成されており、そのミラー又はその振動板の面に沿った一の線を軸として往復振動することで、前記光源からの光をそのミラーで反射しかつ走査する振動ミラー素子と、
前記光源が発した光を像面上に結像させるための光学系と、
を備え、
前記光学系は、その中に、環境温度変化による前記振動ミラー素子の変形によって生じるビーム結像位置の変化を補正する作用を及ぼす回折素子を備えた
ことを特徴とする光走査装置。
前記光学系は、シリンドリカルレンズをさらに備えており、前記回折素子が該シリンドリカルレンズのレンズ面上に設けられたことを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
前記光学系は、コリメータレンズをさらに備えており、前記回折素子が該コリメータレンズのレンズ面上に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の光走査装置。
前記振動ミラー素子は、その光を走査する方向における前記ミラーと前記振動板との接合部の長さが、該方向におけるそのミラーの有効長さに対し70%以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光走査装置。
光を発する光源と、
互いに線膨張係数の異なる材料で構成されたミラーと振動板とが接合されて構成されており、そのミラー又はその振動板の面に沿った一の線を軸として往復振動することで、前記光源からの光をそのミラーで反射しかつ走査する振動ミラー素子と、
回折格子を具備しており、前記光源が発した光を前記ミラーに導く一次光学系と、
前記ミラーで反射され走査されている光を像面上に結像させるための二次光学系と、
を備え、
前記一次光学系は、前記振動ミラー素子が当該光走査装置に搭載された後において前記ミラーの反り量に応じて当該一次光学系の調整が行えるとともに、前記回折格子が環境温度変化による前記振動ミラー素子の変形によって生じるビーム結像位置の変化を補正する作用を及ぼすよう当該一次光学系中に設けられたことを特徴とする光走査装置。