JP2010002780A - 光走査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、ミラー部の面倒れを補正する。
【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１１６、１１７が形成されている。この振動源１１６、１１７に予め設定された周波数の交流信号を印加することで、ミラー部１３０を梁１２０を軸とする回転振動させる。また、振動源１１６、１１７に対し、逆相の直流駆動信号を重畳させることで、ミラー部１３０の面倒れを補正する。
【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

基板の素材として金属板を用い、それをプレス加工によって整形する場合、基板や捻り梁に変形が生じやすい。また、温度などの環境変化による材料の伸縮なども生じる。基板や捻り梁の変形は、ミラー面の面倒れの原因となり、従来のポリゴンミラーにおける面倒れと同様に大きな問題となる。

また、ディスプレイ用途などでは、小型化のために、水平、及び、垂直の２次元走査を１つのミラーで行うことが要求されている。

このような状況に鑑み、本発明は、回転軸のずれや面倒れの補正ができる光走査装置を提供することを目的とする。

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、
前記基板を振動及び変形させる振動源と、
該振動源の駆動信号を生成する駆動回路とを有し、前記基板に発生する板波により前記ミラー部が回転振動する光走査装置であって、
前記駆動信号により、前記板波によって前記ミラー部を前記梁を軸として回転振動させると共に、前記梁の軸の方向を前記基板の厚みの方向の面内で移動させることを特徴とする。

本発明に依れば、基板の静的な変形を調整することで、ミラー軸の位置やミラーの面倒れを補正することができる。加工による誤差や変形、配置の誤差、温度等による変形がなどがあったとしても、ミラーを正常な状態に保つことができる。これにより、高性能な光走査装置を構成できる。

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勿論である。

［第１の実施形態］
図２（ａ）、（ｂ）は本実施形態の光走査装置を上面図、及び、側面図である。ミラー部１３０とそれを支持する捩れ梁１２０が形成された基板１００上に、振動源１１６、及び、１１７が配置される。また、基板１００の一方の端部が固定部材１６０に固定されている。振動源１１６、及び、１１７は、図示していない電極を介して駆動回路２０８、及び、２０９に接続されている。

図３（ａ）に振動源１１６、１１７によって発生された板波による基板１００の変形とミラー１３０の回転振動の様子を示す。図３（ａ）は光走査装置１の側面図であり、基板１００の長さ方向をｘ軸、基板厚方向をｚ軸とし、ｚ軸方向のスケールを大きく描画している。基板１００とミラー１３０の交点が捻り梁１２０の位置、即ち、ミラー１３０の回転軸となる。図３（ａ）の実線と点線は、夫々、正負の最大振幅時の状態を示している。

図３（ｂ）は、振動源１１６、１１７に直流電圧が印加された場合の基板１００の変形の様子である。振動源１１６、１１７に加えられる信号の極性により、実線、または、点線で示されるように、ｚ軸の正負の方向に反り変形する。

ここで、振動源１１６と１１７に逆極性の電圧を印加した場合、図４（ａ）のように基板１００が捩じれ変形し、ミラー１３０の面方向をｘ軸中心に回転させることができる。なお、図４（ａ）においては、基盤１００の変形のみを表現し、ミラー部等は省略されている。振動源１１６と１１７に同極性の電圧を印加した場合には、図４（ｂ）のように基板１００が反り変形し、ミラー部１３０の回転軸のｚ方向の位置を調整することも可能である。

本第１の実施形態では、板波を発生させる交流信号に直流信号を重畳させて駆動することにより、ミラー部１３０の回転振動を励起させると共に、面倒れを調整することができる。これにより、板波による光ビームの走査線位置を、その走査線と直交する方向に微調整でき、目標とする走査線上をビーム光を走査させることができる。

なお、実際に本装置を駆動する場合には、次の通りになる。

先ず、予めミラー部１３０の回転振動によりビーム光がスキャンするスキャン走査線上に、ビーム光を検出する検出素子を配置しておく。そして、振動源１１６、１１７に、予め設定した周波数の交流駆動信号を印加する。この結果、ミラー部１３０が捩り梁１２０を回転（回動）軸として振動する。この後、ビーム光をミラー部１３０に向けて照射する。そして、ミラー部１３０が面倒れしている場合、当然、検出素子ではミラー部１３０で反射したビーム光を検出できない。そこで、振動源１１６と１１７に対して、直流駆動信号を重畳させる。振動源１１６及び１１７に重畳する直流駆動信号の電圧を（駆動源１１６に印加する電圧、駆動源１１７に印加する電圧）と表現すると、例えば次の通りである。
(nV,-nV),((n-1)V,(-(n-1)V),…,(-(n-1)V,(n-1)V),(-nV,nV)

そして、各段階で、ミラー部１３０で反射したビーム光を検出素子が検出できるような場合の（駆動源１１６に印加する電圧、駆動源１１７に印加する電圧）を、固定的に印加するようにする。

［第２の実施形態］
図５（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、側面図である。図２（ａ），（ｂ）と同様の部材は同じ符号で表している。異なる点は、振動源１１６、１１７に変えて、振動源１１０、１１１、１１２を設けた点である。この内、振動源１１０は、板並みを発生するために用いるために交流駆動信号を発生する駆動回路２０１が接続され、振動源１１１、１１２はミラー部１３０の面倒れ補正に用いるために直流駆動信号を発生する駆動回路２０２が接続される。

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１３０の回転振動の様子は図３（ａ）、（ｂ）と同様である。振動源１１１，１１２に直流電圧が印加された場合の基板１００の変形は図６（ａ），（ｂ）のようになり、振動源１１１、１１２に加えられる信号の極性により、実線、または、点線で示されるように、ｚ軸の正負の方向に反り変形する。特に、振動源１１１と１１２に逆極性の電圧を印加した場合、図６（ａ）のように基板１００が捩じれ変形し、第１の実施形態と同様に、ミラー１３０の面倒れを補正することができる。なお、図６（ａ），（ｂ）においては、基盤１００の変形のみを表現し、ミラー部等は省略して示している。振動源１１１と１１２に同極性の電圧を印加した場合には、図６（ｂ）のように基板１００が反り変形し、ミラー部１３０の回転軸のｚ方向の位置を調整することも可能である。

［第１，第２の実施形態の実装例の説明］
図７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１１１、１１２を振動源１１６、１１７と読みかえ、板並みを発生する振動源１１０を、振動源１１６、１１７と読み変えれば良いであろう。

以下、各構成要素の動作を、図８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１１１、１１２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、ビーム光の目標とするスキャン線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。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。

ただし、上記は、ミラー部１３０が面倒れが発生していない場合である。もし、ミラー部１３０に面倒れが起きている場合には、ビーム検出回路３３０では全くレーザ光を検出されないか、されたとしてもレーザ光の径の全エリアがビーム検出回路３３０に照射されない。

そこで、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の面倒れに起因した、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面倒れがあると、ビーム検出回路３３０は全くレーザ光を検出されないか、検出されたとしてもその一部となり、検出するレーザ光の強度は目的とする強度とはならない。

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（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、或る程度の面倒れを許容できるのであれば、“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、振動源１１１、１１２に図６（ａ）に示す様な捩じれ変形を生じさせるため、直流の駆動信号を印加させる。この捩れ変形の度合は、先に説明したように段階的に設定すれば良いであろう。なお、この印加による振動源１１１、１１２が安定するまでには、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、面倒れの補正が不十分であることになるので、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、前回の捩れ変形よりも異なる変形を生じさせればよい。

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の面倒れが抑制されたことを意味する。従って、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、ミラー部１３０が面倒れしている場合であっても、その面倒れを補正し、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］
図９（ａ），（ｂ）に本発明の第３の実施形態における光走査装置４の上面図と側面図を示す。上記第１，第２の実施形態と同様の部材は同じ符号で表している。基板１０１には捻り梁１２１が設けられ、ミラー部１３０が、図のｙ軸中心に回転可能となっている。振動源１１０により発生される板波により、ミラー部１３０が捻り梁１２０によりｙ軸中心に回転することは、上記の第１，第２の実施形態と同様である。振動源１１１、及び、１１２は、駆動回路２０３、及び、２０４により駆動され、振動源１１０の駆動回路２０１の周波数ｆ１とは異なる周波数ｆ２で駆動される。振動源１１１、及び、１１２は互いに逆相で駆動されて、図１０に示すように捻り梁１２１に回転振動を励起し、図では省略されているミラー部をｘ軸中心に回転させる。ここで、ｆ２による振動は、板波によるものではない。本実施形態においても、上記実施形態と同様に、振動源にＤＣ信号を重畳させることにより、基板１０１に静的な変形を加えることができ、ミラー軸の位置調整や、ミラーの面倒れ補正が可能である。

［第４の実施形態］
図１１（ａ）、（ｂ）は本発明の第４の実施形態における光走査装置５の上面図と側面図を示す。上記の実施形態と同様の部材は同じ符号で表している。基板１０２には捻り梁１２１と１２２が形成されて、固定部材１６０、及び、１６１により両側を支持されている。ミラー部１３０の両側に、板波を発生させるための振動源１１０、及び、１１３が配置され、さらに、捻り梁１２１、及び、１２１に回転振動を励起するための振動源１１１、１１２、及び、１１４、１１５が配置されている。駆動方法は第３の実施形態と同様であり、駆動回路２０６、２０７により、振動源１１４、１１５が互いに逆相に駆動される。

［第５の実施形態］
図１２（ａ）、（ｂ）は本発明の第４の実施形態における光走査装置６の上面図と側面図を示す。上記実施形態と同様の部材は同じ符号で表している。本実施形態では、振動源１１１、１１２、及び、１１４，１１５に、板波を励起して捻り梁１２０に回転振動を励起する周波数ｆ１の信号と、捻り梁１２１、１２２に回転振動を励起する周波数ｆ２の振動を重畳させて印加することにより、第４の実施形態と同様の動作を可能にしている。

［第３乃至第５の実施形態の実装例の説明］
図１３に本発明を二次元走査装置（ディスプレイがその代表的な装置である）に実装した構成を示す。上記実施形態と同様の部材は同じ符号で表している。振動源などは図示を省略しているが、ミラー駆動部は、図９、図１１、または、図１２の構成と同様のものを用いることができる。光源３００から射出されたレーザー光は水平、及び、垂直方向に走査され、スクリーン８１０に照射される。ＢＤセンサ３３０、及び、３３１の出力信号により、駆動回路２０３〜２０７の駆動信号を調整してミラー１３０の回転角を制御し、また、光走査に同期させてドライバー回路２２０により光源３００を制御し、画像をスクリーン８１０に描画する。なお、ＢＤセンサ３３０、３３１は、二次元スキャン領域の中心点を通る水平軸上、及び、垂直軸上に設ける。そして、ミラー部１３０の回転振動を行ってＢＤセンサ３３０による適正なビーム光を検出した後、今度は、ミラー部１３０の回転振動を止め、深度源１１１乃至１１５を駆動することで、垂直方向にスキャンされる適正なビーム光を検出するように制御する。この後、二次元スキャンを実行すればよいであろう。

なお、上記実施形態では、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。

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も適用できる。

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。 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、光走査装置の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２つの振動源に印加する直流成分の駆動信号による捩れと反りが発生する様子を示す図である。 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２つの振動源に印加する直流成分の駆動信号による捩れと反りが発生する様子を示す図である。 第１，第２の実施形態をレーザビームプリンタに適用した場合のビーム光走査にかかる構造を示す図である。 図７の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。 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２つの振動源に印加する駆動信号による捩れ振動が発生する様子を示す図である。 第４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５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乃至第５の実施形態を二次元走査装置に適用した場合の構造を示す図である。

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、
   前記基板を振動及び変形させる振動源と、
   該振動源の駆動信号を生成する駆動回路とを有し、前記基板に発生する板波により前記ミラー部が回転振動する光走査装置であって、
   前記駆動信号により、前記板波によって前記ミラー部を前記梁を軸として回転振動させると共に、前記梁の軸の方向を前記基板の厚みの方向の面内で移動させる
   ことを特徴とする光走査装置。
2. 前記駆動信号は、異なる周波数の信号を重畳させた信号であることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 複数の振動源を有し、
   該複数の駆動源は異なる周波数の駆動信号で駆動されることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
4. 前記振動源は、前記基板上の前記梁の軸方向に配置された少なくとも２つの振動素子で構成され、
   該２つの振動素子それぞれに逆極性の直流電圧を印加することで、前記梁の軸の方向を前記基板の厚みの方向の面内で移動させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光走査装置。
5. 前記ミラー部で反射したビーム光を検出する、スキャン対象物の近傍であって、スキャン線上に設けられたビーム光検出手段と、
   前記ビーム光検出手段で検出したビーム光強度が、予め設定された閾値以上であるか否かを判定する判定手段とを備え、
   前記判定手段が前記ビーム光強度が予め設定された閾値未満であると判定される場合に、前記制御手段は前記駆動回路を制御して、前記梁の軸の方向を前記基板の厚みの方向の面内で移動させることを特徴とする請求項４に記載の光走査装置。
6. 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、
   前記基板を振動及び変形させる振動源と、
   該振動源の駆動信号を生成する駆動回路とを有し、前記基板に発生する板波により前記ミラー部が回転振動する光走査装置の制御方法であって、
   前記駆動信号により、前記板波によって前記ミラー部を前記梁を軸として回転振動させると共に、前記梁の軸の方向を前記基板の厚みの方向の面内で移動させる
   ことを特徴とする光走査装置の制御方法。

Images