JP2010002778A - 光走査装置及びそれを用いた印刷装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ミラー部の梁を軸とする回転運動を励起させつつも、基板の厚み方向に対するミラー部の位置を調整することが可能になる。
【解決手段】 基板１００には、入射したビーム光を反射するミラー部１３０、このミラー部１３０を支持する一対の梁１２０、並びに、ミラー部１３０の梁１２０を軸とする回動振動を起こさせる板波を発生する振動源１１０が形成されている。基板１００の端部は固定部材１６０で固定させる。振動源１１０を駆動した場合に、発生した板波の節の位置が梁１２０の位置からずれている場合の、ミラー部１３０の基板の厚み方向の振動を相殺するため、基板１００の固定部材１６０の近傍に、２つ目の振動源を設ける。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ビーム光を走査させるための光走査装置に関するものである。

ビーム光を掃引させる光走査装置としては、レーザビームプリンタ、ディスプレイ装置が知られている。

特に、レーザビームプリンタに搭載されている光走査装置の代表的なものとして、ポリゴンミラを用いた光走査装置が知られている。かかる光走査装置では、レーザビーム発生素子から発生したレーザビーム光を、ポリゴンミラーの側面の照射する。ポリゴンミラーは予め設定された回転速度で回転しているので、その側面で反射したレーザビーム光はｆθ特性のレンズを介して、感光ドラムの面上を走査することになる。

上記のポリゴンミラーを用いた光走査装置の場合、ポリゴンミラーの各側面が高い精度のミラーとなることが必要となり、且つ、モータ駆動によるものであるので、小型化、コスト削減が難しい。

かかる点を改良するものとして、ガルバノミラーを用いたものが知られている。また、シリコンプロセスを使ったＭＥＭＳ技術によるマイクロミラーも用いられ、電磁駆動、静電駆動、圧電駆動など幾つかの方式が提案され、実用化されている。

これらとは異なる駆動方式の光走査装置として、板波を利用したものが提案されている（特許文献１、非特許文献１参照）。この方式は、捩れ梁に支持されたミラー部を有する基板に発生させた板波により、ミラー部に捩れ振動を励起するものであり、構造が簡単でプレス加工による金属板を用いることが出来るため、光走査装置の低コスト化が可能な技術として注目されている。

図１（ａ）は、この光走査装置の構造を示している。この装置は、基板１０と基板１０の一方端を固定する固定部材１６で構成される。基板１０は、加工して生成したミラー部１３と一対の捻り梁１２、梁の支持部１９、及び、基板１０上の所定の位置に形成した圧電膜（圧電素子）１１で構成される。圧電膜１１に駆動信号を供給すると、板波が発生し、基板上をその板波が伝搬しミラー部１３に回転（回動）振動を励起させるものである。図中のｘは捻り梁１２の中心軸であり、Ａｍｉｎで示される板波振幅の節の位置からずれた位置に設定されている。図１（ｂ）、（ｃ）は板波、及び、ミラー部１３の回転の様子を示したものである。

非特許文献１では、図１の光走査装置において、基板厚が50μm程度、ミラー部の大きさが1mm程度、梁の幅は100μm程度で、全体のサイズが10mm以下と小型のものが開示されている。この圧電膜１１を駆動することで、ミラー部１３は、２０kHzを超える周波数で、約40°の振れ角で振動することになる。

かかる構成のミラー部１３に、レーザ光を照射すると、そのミラー部１３の振れ角に従って一次元走査のレーザ光を生成することができる。

特許文献１の方式では、基本的に、捩れ梁と基板の接続位置と基板に発生した板波の節の位置を一致させて、ミラー部には捻り振動のみを励起するものであるが、構造上捻り振動の立ち上げには非常に時間が掛かる。このため、実用的には、立ち上がり時間を短縮するために、ミラーの重心を捻り梁の位置から若干ずらすと共に、捻り梁に基板厚方向の振動を加えるように、捻り梁と基板の接続位置を板波の節の位置から若干ずらす必要がある。
特開2006-293116号公報 Jae-Hyuk Park, et al.,MEMS 2006,Istanbul, 19th IEEE Int. Conf. ,pp730-733

しかしながら、近年の高精細化が進んだプリンタやディスプレイ用途においては、捻り梁の振動、即ち、ミラー回転軸の変動は、光路長や焦点距離の変動、ミラーエッジでの入射光のケラレによるレーザー光の劣化や光量低下などを引き起こし、表示品質や印刷品質の低下を招く大きな課題となっている。

図２に、ミラー軸が変動した場合の影響を模式的に示す。ミラー部１３０は、軸の変動が無い場合にはＯ位置にあり、入射光Ｌ１は反射光Ｌ２として進行する。これに対して、軸がｚ方向に変動した場合（Ｏ´位置）には、反射光は光路のずれたＬ３となり、また、反射されないＬ３´も生じる。

特許文献１の光走査装置では、プレス加工による寸法ばらつきや、温度などの環境変化による材料の伸縮によっても節と梁の位置がずれ、ミラー回転軸の変動が起こる。また、温度や疲労により弾性係数等の材料特性が変動すると、板波の伝播速度、即ち、波長が変動し、節と梁の位置がずれて、ミラー回転軸の変動が起こる。

また、基板に金属板を用いた場合、特にプレス加工を行った場合などには、基板に反りなどの変形が生じやすい。このような変形は、ミラー回転軸の基板厚方向への変位を起こし、ミラーの中心と光軸のずれの原因となる。

このような状況に鑑み、本発明は、ミラー部の梁を軸とする回転運動を励起させつつも、ミラー部の上下振動を抑制する技術を提供しようとするものである。

かかる課題を解決するため、例えば本発明の光走査装置は以下の構成を備える。すなわち、
入射したビーム光を反射するミラー部と、該ミラー部を支持する一対の梁が形成された基板と、
該基板を端部で固定する固定部材と
前記基板上に設けられ、板波を発生させる振動源と
該振動源を駆動する駆動回路とを有する光走査装置であって、
前記基板の厚み方向に対する前記梁の位置を調整する調整手段を備える。

本発明によれば、ミラー部の梁を軸とする回転運動を励起させつつも、基板の厚み方向に対するミラー部の位置を調整することが可能になる。この結果、本発明の光走査装置をプリンタやディスプレイに搭載した場合に、高い画質の画像を印刷もしくは表示させることが可能になる。

以下、添付図面に従って本発明に係る実施形態を詳細に説明する。

尚、以下の説明では、振動源として圧電材を用いるが、本発明の効果はこれに限定されるものではない。また、振動源、及び、基板など、使用される部材の材質や寸法、形成方法などについては、特許文献１に記載されているものを同様に適用することが可能であるが、本発明がそれに限定されないことはもちろんである。

［第１の実施形態］
図３（ａ）に第１の実施形態における光走査装置１の上面図、同図（ｂ）に側面図を示す。

ミラー部１３０（１辺が約1mmの矩形）とそれを支持する一対の捩れ梁１２０が形成された基板１００と、その基板上の予め設定された位置に振動源１１０、及び、１１１が配置されている。基板の一方の端部は固定部材１６０に固定されている。振動源１１０、及び、１１１には不図示の電極が設けられ、この電極に交流の駆動回路２００、及び、２０１に接続されている。

次に、実施形態における光走査装置１の動作原理を説明する。

今、振動源１１０のみで駆動する場合を考える。

図４（ａ）、（ｂ）は、振動源１１０によって発生された板波による基板１００の変形とミラー部１３０の回転の様子を示す側面図である。基板１００の長さ方向をｘ軸、基板の厚み方向をｚ軸とし、ｚ軸方向のスケールを誇張して示している。基板１００上のｘ軸に沿った捻り梁１２０の位置が、ミラー部１３０の回転（回動）振動の軸（以下、回転軸）となる。実施形態におけるミラー部１３０は、振動源１１１が非駆動状態にあるとき、基板の面に直交する軸に対して、例えば、約±２０°の範囲（すなわち、振れ角４０°の範囲）の振れ角で振動する。

図４（ａ）、（ｂ）は、夫々、正負の最大振幅時の図を示している。基板１００の板波によってミラー部１３０は上記の振れ角で回転振動するが、板波の振幅がゼロの節の位置（ｘ＝Ｘｏ）とミラー部１３０の回転軸の位置（ｘ＝０）がずれている場合、回転軸はｚ軸方向に±Δｚの変動を生じる。これが、光走査措置の特性低下の原因となる。節の位置がずれる要因は、基板の長手方向のサイズのバラツキ、振動源１１０の位置のバラツキ等である。

そこで、本実施形態では、振動源１１１を更に設けた。図５（ａ），（ｂ）は、振動源１１１による基板１００の動作を示す。固定部材１６０近傍に配置された振動源１１１は、基板１００に固定部を基準にした回転振動を起こし、ミラー部１３０はｚ方向に振動を起こす。この振動源１１１による振動を、振動源１１０による板波による振動と逆相で同期させることにより、図６（ａ），（ｂ）に示すように、ミラー部１３０のＺ軸に沿った振動は相殺、もしくは軽減され、ミラー部１３０の捩り梁１２０を軸とする回転（回動）を安定化させることができる。

［第２の実施形態］
図７（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施形態の光走査装置２の上面図、及び側面図を示している。なお、図３と同様の部材は同じ符号で表している。光走査装置２には、固定部材を兼用した振動源１１２が配置され、交流の駆動回路２０２に接続されている。振動源１１２は、ｚ方向に伸縮して基板１００、及び、ミラー部１３０にｚ方向の振動を与え（図８（ａ）、（ｂ））、第１の実施形態と同様に、板波による振動を相殺して、ミラー部１３０の回転軸を安定化させる（図９（ａ），（ｂ）参照）。

［第１，第２の実施形態の実装例の説明］
図１０に本発明の光走査装置を装着したレーザビームプリンタ３に実装した場合のブロック構成図を示す。同図において、図３、及び、図６と同様の部材は同じ符号で表している。なお、ここでは、第２の実施形態の構成を基礎にした場合を説明するが、第１の実施形態を提供する場合には、以下の説明における振動源１１２を振動源１１１と読み変え、且つ、振動源１１１が基板上に設けられることになる。

以下、各構成要素の動作を、図１３に示すフローチャートに従って説明する。

レーザビームプリンタ３の電源がＯＮになると、先ず、制御部５００は、ステップＳ１にて、駆動回路２０３を制御し、振動源１１０に対して、予め設定された電圧の交流の駆動信号を印加させる。このとき、振動源１６０は駆動しない。なお、制御部５００は、レーザビームプリンタの全体を制御するものでもある。

この結果、振動源１１０は、与えられた駆動信号に従って振動し、基板１１０上に板波を発生させ、その板波の伝搬によるミラー部１３０の回転振動を励起させる。このミラー部１３０の回転振動が安定（平衡状態）するまでには、多少の時間を要するので、予め設定された時間が経過するまで待つ（ステップＳ２）。なお、この時間は、基板１００のサイズ、ミラー部１３０のサイズ、及び、目標とする振動周波数に依存して設定すればよい。

さて、ミラー部１３０が、目標とする振動周波数で回転振動すると、制御部５００は、レーザ光源３００を駆動し、レーザ光４００を出射させる。この結果、レーザ光４００出射光学系３１０を通り、回転振動しているミラー部１３０にて反射される。反射したレーザ光は、結像光学系３２０を介して、ビーム光のスキャンするライン上に設けられたビーム検出回路３３０、並びに、感光ドラム８００を図示の矢印４１０に沿って走査することになる。

こうして、レーザ光によるスキャンが開始すると、制御部５００はステップＳ３、Ｓ４にて、ミラー部１３０の基板の厚み方向（図示の矢印４２０）の振動に起因して、適正な強度のレーザ光がミラー部１３０にて反射しているか否かを判定する。

具体的には、次のようにして判定する。

先ず、レーザ光源３００内に設けられたビーム検出部３４０によって出射直後のレーザ光の強度を検出する。このレーザ光の強度をＢＤ０と表わすこととする。次いで、感光ドラム８００の近傍に設けられたビーム検出回路３３０により、レーザ光の強度を検出する。このレーザ光の強度をＢＤ１とする。これらＢＤ０、ＢＤ１は、比較演算器２１０に供給される（ステップＳ３）。

先に説明したように、図２におけるミラー部のｚ軸の振動により、入射しちたレーザ光の一部に「蹴られ」が発生すると、１００％のレーザ光がビーム検出回路３３０に到達しない。

そこで、比較演算器２１０は、予め設定した閾値Ｔｈとの関係が、「ＢＤ１／ＢＤ０≧Ｔｈ」を満たすか否かを判定することで、「蹴られ」が発生しているか否かを判定する（ステップＳ４）。この判定結果は、駆動回路２０３に供給される。なお、この閾値Ｔｈは典型的には"１．０"とすれば良いが、感光ドラム８００上をスキャンする際のレーザ光に蹴られが発生しないことを補償する程度の値で良いので、実際には"１．０"に近似する１未満の値でも構わない。

さて、ＢＤ１／ＢＤ０＜Ｔｈであると判断した場合、すなわち、目標強度以下のレーザ光しか検出されなかった場合、処理はステップＳ５に進み、駆動回路２０３に制御し、蹴られを抑制するための、予め設定された周波数の交流信号を振動源１１２に印加させる。ステップＳ５の最初の処理では、この交流信号の電圧をＶ０とする。この結果、振動源１１２が振動しはじめることになるが、その振動が定常状態になるまで、多少の時間が必要となるので、ステップＳ６でその時間だけ待つ。この後、処理はステップＳ３に戻る。

ステップＳ３に戻ると、上記の通り、再度ＢＤ１、ＢＤ０を検出する処理と、閾値との比較が行われる。ここで、もし、「ＢＤ１／ＢＤ０＜Ｔｈ」であると判断した場合には、振動源１１２の振動が不足していることになるので、ステップＳ５の処理を再度実行する。このステップＳ５の２回め以降では、駆動回路２０３に対して、前回に印加した電圧に対してΔＶだけ増加した交流信号を発生させ、それを振動源１１２に印加させる。

上記のようにして、「ＢＤ１／ＢＤ０≧Ｔｈ」という関係になったとする。これは、ミラー部１３０のｚ軸に沿った振動がある抑制されたことを意味し、少なくとも感光ドラム８００上のスキャン中は「蹴られ」が発生しないことになるので、処理はステップＳ７に進み、プリント待機状態に遷移する。この後の処理は、通常のポリゴンミラーを用いたレーザビームプリンタの処理を同じになるので、その説明については省略する。なお、実際に印刷処理に遷移した場合、ビーム検出回路３３０が、レーザビームのスキャンタイミングを決定するビームディテクタとして機能するようになる。

以上説明したように、本実施形態によれば、基板１００の寸法のバラツキ、もしくは固定する際の位置決めのバラツキにより、捩れ梁１２０の位置が振動源１１０による板並みの節位置からずれてしまっい、レーザ光の蹴られが発生したとしても、もう１つの振動源により、「蹴られ」を抑制し、高い精度でスキャン用のレーザ光を出射することが可能になる。

［第３の実施形態］
上記第１，第２の実施形態では、ミラー部１３０のｚ軸方向の振動によるレーザ光の「蹴られ」を抑制するものであった。しかし、基板１００の取り付け精度が悪いと、振動源１１０が振動する以前に、既に捩じれ梁が目的とする位置よりもｚ軸にずれている場合がある。本第３の実施形態ではかかる点を調整する例を説明する。

図１１に本発明の第３の実施形態を示す。図３と同様の部材は同じ符号で表している。振動源１１０には、駆動回路２０４が接続され、交流信号Ｖａｃと直流信号Ｖｄｃが重畳されて印加される。交流信号Ｖａｃにより、図１２（ａ）に示すような板波が生じ、ミラー１３０に回転振動を励起する。直流信号Ｖｄｃは、図１２（ｂ）に示すように、基板１００を静的に変形させて、ミラー回転軸を基板厚方向（ｚ軸方向）に変位させる。交流信号Ｖａｃと直流信号Ｖｄｃを重畳させて振動源１１０を駆動することにより、図１２（ｃ）に示すように、ｚ軸方向にミラー回転軸を変位させた状態で、ミラー１３０を回転振動させることができる。本第３の実施形態では、加工時の基板の変形などにより、ミラーの中心と光軸がずれている場合にも、ミラー回転軸を基板厚方向に移動させ、ミラー回転軸の変位を補正することができる。

なお、本第３の実施形態をレーザビームプリンタに適用する場合には、先に説明した図１３のフローチャートとほぼ同じになる。すなわち、直流信号Ｖｄｃを徐々に変えていき、適正な強度のレーザ光がミラー部１３０にて反射していると判断した場合に、直流信号Ｖｄｃを固定にして、プリント待機状態に遷移すればよい。

以上本発明に係る各実施形態を説明した。実施形態では、レーザビームプリンタに適用する例を説明したが、表示装置に適用しても構わない。表示装置に適用する場合には、ビーム光を２次元スキャンすることが必要になる。このためには、上記実施形態で説明した基板を２つ利用することである。すなわち、第１の基板のミラー部では水平方向にスキャンするためのビーム光を生成する。そして第２の基板のミラー部を、第１の基板からのビーム光を垂直方向にスキャンするように振動させる。但し、第２の基板のミラー部は、既に一次元走査のビーム光を反射するものであるので、第１、第２の基板間の距離は近接した位置に設けることになる。また、この場合、第２の基板のミラー部の回転駆動周波数は、第１の基板のミラー部のそれより十分に小さい値で良い。これは、第２の基板のミラー部は、第１の基板のミラーで反射したビーム光を反射できるだけの十分な大きさを確保できることを意味するので好都合なものと言える。

また、本発明の光走査装置は、原稿上に光を走査させてその原稿を読み取るスキャナ（画像読取装置）や、バーコードを読み取るバーコードリーダ等に適用しても同様に構わない。

なお、実施形態では、駆動源として圧電素子を用いる例を説明したが、板波の発生する素子であればその種類は問わない。例えば、圧電素子の代りに、磁歪素子（交番磁界をかけて振動する素子）でも構わない。

従来の光走査装置の構造とその駆動状態を説明するための図である。 基板の面に垂直方向の振動によってミラー部によるビーム光の蹴られが発生する理由を示す図である。 第１の実施形態における光走査装置の上面図と側面図を示す図である。 第１の実施形態における、捩れ梁の位置が板波の節位置からずれた場合のミラー部のｚ軸に沿った振動が発生する理由を説明するための図である。 第１の実施形態における、ミラー部のｚ軸方向の振動を抑制するための振動源による基板の振動の様子を示す図である。 第１の実施形態における、図４と図５の合成により、ミラー部のｚ軸方向の振動が抑制される例を説明するための図である。 第２の実施形態における光走査装置の上面図と側面図を示す図である。 第２の実施形態における、捩れ梁の位置が板波の節位置からずれた場合のミラー部のｚ軸に沿った振動が発生する理由を説明するための図である。 第２の実施形態における、ミラー部のｚ軸方向の振動が抑制される例を説明するための図である レーザビームプリンタにおけるビーム光走査にかかる構造を示す図である。 第３の実施形態における光走査装置の上面図と側面図を示す図である。 第３の実施形態における捩れ梁の回転軸の調整の原理を説明するための図である。 レーザビームプリンタに適用した場合の制御の処理手順を示すフローチャートである。

Claims (6)

1. 入射したビーム光を反射するミラー部と、該ミラー部を支持する一対の梁が形成された基板と、
   該基板を端部で固定する固定部材と
   前記基板上に設けられ、板波を発生させる振動源と
   該振動源を駆動する駆動回路とを有する光走査装置であって、
   前記基板の厚み方向に対する前記梁の位置を調整する調整手段
   を備えることを特徴とする光走査装置。
2. 前記調整手段は、前記基板の厚み方向に対する前記梁の振動を相殺させるための、前記基板上に設けられた第２の振動源と、
   該第２の振動源に印加する交流信号の電圧を変化させる第２の駆動回路とを有することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記第２の振動源は、前記固定部材と兼用することを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
4. 前記調整手段は、前記振動源に対して直流信号を印加することで、前記基板を撓ませることで、前記梁の位置を調整することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
5. 請求項２又は３に記載の光走査装置を有し、感光ドラムにレーザ光を走査することで印刷処理を行う印刷装置であって、
   前記感光ドラムの近傍の、前記レーザ光をスキャンするライン上に設けられる前記レーザ光の強度を検出する検出部と、
   該検出部からの検出したレーザ光の強度が予め設定された強度以下の場合、前記検出部からの検出したレーザ光の強度が予め設定された強度に到達するまで、前記第２の駆動回路を駆動して前記第２の振動源に印加する交流信号の電圧を徐々に増加させる制御手段とを備えることを特徴とする印刷装置。
6. 請求項２又は３に記載の光走査装置を有し、感光ドラムにレーザ光を走査することで印刷処理を行う印刷装置の制御方法であって、
   前記感光ドラムの近傍の、前記レーザ光をスキャンするライン上に設けられる前記レーザ光の強度を検出する検出工程と、
   該検出工程で検出したレーザ光の強度が予め設定された強度以下の場合、前記検出工程で検出したレーザ光の強度が予め設定された強度に到達するまで、前記第２の駆動回路を駆動して前記第２の振動源に印加する交流信号の電圧を徐々に増加させる制御工程と、
   を備えることを特徴とする印刷装置の制御方法。

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