JP2010002781A - 光走査装置及び該光走査装置を用いた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の光走査装置では、捻り梁に加えることができる上下動は微少であり、立ち上がり時間の短縮は充分ではなかった。
【解決手段】 基板１００に設けられた支持部により支持されたミラー１３０を揺動させ、光源４０３からの光をミラー１３０より反射させて走査させる光走査装置であって、基板上に設けられ、その基板１００に板波を発生させるための振動源１１０と、振動源１１０を駆動する駆動回路２００と、駆動回路２００による振動源１１０の駆動を制御すると共に、ミラー１３０を揺動させる駆動の立ち上げ時、駆動回路２００から振動源１１０に供給する電圧を通常駆動時よりも高くするように制御する制御部４００とを有する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、例えばレーザビームプリンタやディスプレイ等に用いられる光走査装置及び該光走査装置を用いた画像形成装置に関するものである。

従来から、レーザービームプリンタやディスプレイ等に用いられる光走査装置において、ガルバノミラーやポリゴンミラーにより光ビームを走査させる機構が知られている。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、その駆動方法として電磁駆動、静電駆動、圧電駆動など幾つかの方法が提案され、実用化されている。

一方、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）。この方式は、基板に捩れ梁を設け、そこにミラー部を支持し、その状態で基板に板波を発生させると、この板波により捩れ梁を介してミラー部に捩れ振動が励起され、ミラー部により反射された光ビームが走査するというものである。この駆動方式は構造が簡単で、プレス加工による金属板を基板として使用でき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は、この駆動方式を説明する図である。

基板１０は、捻り梁１２と、この梁１２の支持部１９を有し、捻り梁１２にはミラー部１３が形成されている。この基板１０を固定部材１６に固定し、基板１０上に設けられた圧電膜（圧電素子）１１を振動させて基板１０に板波を発生させ、ミラー部１３に回転振動を励起する。図中のｘは、捻り梁１２の中心軸を示しており、この中心軸１２は板波の節１４からずれた位置に設定されている。

ここで基板１０の厚みは５０μｍ程度、ミラー部１３の長手方向の長さは約１ｍｍ、梁１２の幅は約１００μｍｍで、基板１０の最大長さが１０ｍｍ以下と小型である。圧電膜１１は、２０ＫＨｚを超える周波数で振動するとき、ミラー部１３の振れ角は約４０°となっている（非特許文献１参照）。

上記方式では、基本的に、捩れ梁１２と基板１０との接続位置と、基板に発生した板波の節１４の位置とを一致させて、ミラー部１３には捻り振動のみを励起するのが理想的であるが、その構造上、捻り振動の立ち上げに非常に時間がかかる。即ち、圧電膜１１の振動を開始してからミラー部１３の振動が正規の振動状態に到達するまでの時間が長くなる。そこで、この立ち上がり時間を短縮するために、ミラー部１３の重心を捻り梁１２の位置から若干ずらしている。
特開２００６−２９３１１６号公報 Jae-Hyuk Park, et al.,MEMS 2006,Istanbul, 19th IEEE Int. Conf.,pp730-733

捻り梁１２の振動、即ち、ミラー部１３の回転軸の変動は、プリンタやディスプレイ用途において表示品質や印刷品質の低下を招く大きな問題となる。それを考慮すると、従来の光走査装置において、捻り梁１２に加えることができる上下動は微少であり、立ち上がり時間の短縮は充分ではなかった。

また基板１０に金属板などを用いた場合は、金属板はシリコン基板に比べて降伏応力が小さく、回転振幅を大きくすると疲労などにより特性が劣化し易いという問題もある。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決することにある。

本発明の特徴は、ミラー回転軸の変動を抑えながら、立ち上がり時間の短い、特性の安定した光走査装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の一態様に係る光走査装置は以下のような構成を備える。即ち、
基板に設けられた支持部により支持されたミラー部を揺動させ、光源からの光を当該ミラー部により反射させて走査させる光走査装置であって、
前記基板を前記ミラー部が設けられた側の反対側端部で固定する固定部材と、
前記基板上に設けられ当該基板に板波を発生させるための振動源と、
前記振動源を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段による前記振動源の駆動を制御すると共に、前記ミラー部を揺動させる駆動の立ち上げ時、前記駆動手段から前記振動源に供給する電圧を通常駆動時よりも高くするように制御する制御手段と、
を有することを特徴とする。

上記目的を達成するために本発明の一態様に係る光走査装置は以下のような構成を備える。即ち、
基板に設けられた支持部により支持されたミラー部を揺動させ、光源からの光を当該ミラー部により反射させて走査させる光走査装置であって、
前記基板を前記ミラー部が設けられた側の反対側端部で固定する固定部材と、
前記基板上に設けられ当該基板に板波を発生させるための第１及び第２の振動源と、
前記第１及び第２の振動源を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段による前記第１及び第２の振動源の駆動を制御すると共に、前記ミラー部を揺動させる駆動の立ち上げ時、前記駆動手段により前記第１及び第２の振動源の少なくともいずれか一方に供給する電圧を通常駆動時よりも高くするように制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、ミラー部を揺動させる駆動の立ち上げ時に、定常作動時に必要とされるよりも大きな振動エネルギーを基板に与えることにより、ミラーの回転振動の立ち上げに要する時間を短縮できる。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳しく説明する。尚、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る本発明を限定するものでなく、また本実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須のものとは限らない。以下の説明では、振動源として圧電素子を用いるが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁歪素子や、磁石を配置した電磁駆動などであってもよい。尚、以下の説明で使用される基板や振動源である圧電素子の材質や寸法、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できるが、本発明はそれに限定されないことはもちろんである。

［実施形態１］
図２は、本実施形態１に係る光走査装置のミラーを振動させるミラー振動部１の構成を説明する図で、図２（Ａ）は、このミラー振動部１の上面図、図２（Ｂ）は、このミラー振動部１を駆動する原理を説明する図である。

図２（Ａ）において、１００は基板、１１０は基板上に設けられた圧電素子（圧電膜）、１２０はミラー１３０が取り付けられている梁を示している。１６０は、この基板１００を、ミラー１３０が取り付けられている側の反対側端部で光走査装置に固定するための固定部である。尚、これら基板１００、圧電素子１１０、梁１２０、ミラー１３０は、上述した基板１０、圧電膜１１、梁１２、ミラー部１３と原理的に同様である。またここでは、圧電素子１１０の中心とミラー１３０の重心中心とを略一致させている。

図２（Ｂ）において、２００は圧電素子１１０の駆動回路を示している。この駆動回路２００により圧電素子１１０を所定の周波数で電圧を印加して駆動する。この電圧の印加により圧電素子１１０が伸縮して図２（Ｂ）の上下方向に基板１００を振動させる。尚、この圧電素子１１０は、基板１００上に直接形成された圧電膜であると基板１００の板波の励起効率をより良くすることができる。この圧電素子１１０は、図２（Ａ）において圧電素子１１０の上側に正の電圧を印加すると圧電素子１１０は伸び、負の電圧を印加すると縮むように構成されている。これにより基板１００上で板波が発生し、基板１００の一端が固定部１６０により固定されているため、その板波の振動エネルギーが梁１２０で支持されたミラー１３０を揺動させ、より効率的にミラー１３０に回転モーメントを与えることができる。

図３（Ａ）（Ｂ）は、本実施形態１に係る、圧電素子１１０の振動によって基板１００に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説明する図である。

この図では、基板１００の長さ方向をｘ軸、基板１００の厚み方向をｚ軸とし、ｚ軸方向のスケールをｘ軸に比べて大きくして描画している。ここでは基板１００とミラー１３０の交点が梁１２０の位置、即ち、ミラー１３０の回転軸としている。またミラー１３０の回転軸の中心を板波の節に一致させている。図において、実線と点線は、夫々、圧電素子１１０に正と負の電圧が印加されたときの最大振幅時の状態を示している。また図３（Ａ）は、起動時における振動の一例を示している。このように起動時における圧電素子１１０の駆動電圧を大きくして、基板１００に大きな振動を与えることでミラー１３０の回転振動の励起を速めている。こうして必要な回転振動が得られると、図３（Ｂ）に示すような定常の駆動状態に切り替える。

図４は、本実施形態１に係る光走査装置の概略構成を示すブロック図である。

図において、レーザ光源４０３から射出されたレーザ光は、図示していない光学系を通過してミラー１３０で反射され、ミラー１３０の回転振動に応じて走査される。ＢＤセンサ４０４は、このミラー１３０で反射されたレーザ光を有効走査範囲（実際に画像形成或いは画像読み取り等で使用される領域）の外で、最大走査角の位置（所定位置）に設けられており、レーザ光を検出すると検出信号を出力する。

制御部４００は、ＣＰＵ４１０、ＣＰＵ４１０により実行されるプログラム等を記憶するＲＯＭ４１１、ＣＰＵ４１０による制御処理時にワークエリアを提供して、各種データを記憶するＲＡＭ４１２を有している。レーザ駆動回路４０２は、制御部４００から供給されるＰＷＭ信号に応じてレーザ光源４０３を駆動する。駆動回路２００は、制御部４００からの指令信号に応じて圧電素子１１０の駆動周波数、及びその駆動電圧を変更して圧電素子１１０を駆動することができる。

図５は、本実施形態１に係る制御部４００によるレーザ走査の立ち上げ時の処理を説明するフローチャートである。この処理を実行するプログラムはＲＯＭ４１１に記憶されており、ＣＰＵ４１０の制御の下に実行される。

この処理は、プリンタの場合はプリントが指示されてレーザ走査を開始する時、或いはスキャナの場合には画像の読み取りが指示されてレーザ走査を開始する時、或いはディスプレイの場合には画像の表示が指示されてレーザ走査を開始することにより開始される。先ずステップＳ１で、圧電素子１１０を駆動する電圧を、通常の駆動電圧よりも高くするように駆動回路２００に指示して圧電素子１１０を駆動する。次にステップＳ２で、レーザ駆動回路４０２にレーザ駆動信号を出力してレーザ光源４０３からレーザ光を発光させる。次にステップＳ３に進み、ＢＤセンサ４０４からの検知信号が入力されるのを待つ。即ち、ＢＤセンサ４０４がレーザ光を検知したかどうかをみる。ＢＤセンサ４０４によりレーザ光が検知されるとステップＳ４に進み、レーザ光源４０３によるレーザ光の発光を停止する。次にステップＳ５に進み、圧電素子１１０を駆動する電圧を、通常駆動時の電圧に戻すように駆動回路２００に指示する。

図６は、上述した本実施形態１に係る圧電素子の駆動信号の一例を示す図である。

図のＢＤは、ＢＤセンサ４０４の検出信号を示し、Ｖ１は、圧電素子１１０の駆動信号の振幅を表している。レーザ光の走査開始時には、定常のレーザ光走査で必要とされる駆動信号の電圧Ｖsよりも大きい電圧Ｖiの駆動信号を圧電素子１１０に印加している（ステップＳ１）。そして検出信号が所定の閾値Ｖthを越えた時点（ｔ＝ｔ'）で（ステップＳ３でＹＥＳの判定）、圧電素子１１０の駆動電圧を、通常駆動時の電圧Ｖsに切り替える（ステップＳ５）。

このように本実施形態１によれば、ミラー１３０に過剰な回転振幅を与えることなく、速やかにミラー１３０の回転を起動することができる。

尚、本実施形態１では、ＢＤセンサ４０４がレーザ光を検知すると直ぐに圧電素子１１０の駆動電圧を通常の電圧に戻している。しかし、これ以外にも、ＢＤセンサ４０４によるレーザ光の検知周期が所定の周期になったかどうかを判定し、所定の周期になったときに、圧電素子１１０の駆動電圧を通常の電圧に戻すようにしても良い。

［実施形態２］
図７は、本発明の実施形態２に係る光走査装置のミラーを振動させるミラー振動部２の構成を説明する図で、図７（Ａ）は、このミラー振動部２の上面図、図７（Ｂ）は、このミラー振動部２を駆動する原理を説明する図である。ここで図２と共通する部分は同じ記号で示している。

この実施の形態２では、前述の実施形態１の圧電素子１１０（第１の振動源）以外に、起動時の駆動力を大きくするための圧電素子１１１（第２の振動源）を設けている点に特徴がある。この実施形態２に係る光走査装置の構成は、図４に圧電素子１１１とその駆動回路２０２が追加されるだけで、前述の実施形態１と基本的に同じである。

図７（Ａ）において、１００は基板、１１０，１１１は圧電素子（圧電膜）、１２０はミラー１３０が取り付けられている梁を示している。１６０は、この基板１００を光走査装置に固定するための固定部である。また圧電素子１１０，１１１の中心とミラー１３０の重心中心とを略一致させている。

図７（Ｂ）において、２０２は圧電素子１１１の駆動回路を示している。この駆動回路２０２により圧電素子１１１を所定の周波数で電圧を印加して駆動する。尚、この圧電素子１１１もまた圧電素子１１０と同様に、基板１００上に直接形成された圧電膜であると基板１００の板波の励起効率をより良くすることができる。

図８は、本実施形態２において、２つの圧電素子１１０，１１１で発生された板波による基板１００の変形の様子を説明する図である。

圧電素子１１０と１１１は、基板１００に生じる板波の腹（振幅の山）に当たる付近（節の中間近傍）に配置され、レーザ光の走査開始のときには基板１００の振動を増強するように駆動される。ここでは２つの圧電素子１１０，１１１の駆動信号の位相が１８０°ずれるようにし、略同じ電圧で駆動している。尚、図８では圧電素子１１１による振動の振幅が、圧電素子１１０の振幅よりも小さく描かれているが、これは圧電素子１１１が固定部１６０により近いため、その振動の振幅が小さく抑えられるためである。

このようにして、ミラー１３０の起動時、基板１００の振動を大きくしてミラー１３０の回転振動が励起されるのを速める作用をする。そしてＢＤセンサ４０４がレーザ光を検出して必要な回転振動が得られたと判断されたときは、圧電素子１１０，１１１のいずれか一方の駆動が停止される。

図９は、本実施形態２に係る圧電素子の駆動信号の一例を示す図である。

圧電素子１１０は、電源投入時から定常作動状態の駆動信号Ｖsで駆動される。一方、圧電素子１１１は、起動時に電圧Ｖiで駆動され、ＢＤセンサ４０４からの検出信号を検出した時点で、その圧電素子１１１の駆動が停止される。

図１０は、本実施形態２に係る制御部４００によるレーザ走査の立ち上げ時の処理を説明するフローチャートである。この処理を実行するプログラムはＲＯＭ４１１に記憶されており、ＣＰＵ４１０の制御の下に実行される。

この処理は、プリンタの場合はプリントが指示されてレーザ走査を開始する時、或いはスキャナの場合には画像の読み取りが指示されてレーザ走査を開始する時、或いはディスプレイの場合には画像の表示が指示されてレーザ走査を開始することにより開始される。先ずステップＳ１１で、レーザ駆動回路４０２にレーザ駆動信号を出力してレーザ光源４０３からレーザ光を発光させる。次にステップＳ１２に進み、圧電素子１１０を駆動する電圧を、通常の駆動電圧に設定して駆動回路２００に指示して圧電素子１１０を駆動する。次にステップＳ１３に進み、圧電素子１１１の駆動電圧を通常の駆動電圧Ｖsより高く設定して駆動回路２００に指示して圧電素子１１０を駆動する。次にステップＳ１４に進み、ＢＤセンサ４０４からの検知信号が入力されるのを待つ。即ち、ＢＤセンサ４０４がレーザ光を検知したかどうかをみる。ＢＤセンサ４０４によりレーザ光が検知されるとステップＳ１５に進み、レーザ光源４０３によるレーザ光の発光を停止する。次にステップＳ１６に進み、圧電素子１１１の駆動を停止するように指示する。

以上説明したように本実施形態２によれば、レーザ光の走査起動時におけるミラー１３０の回転振動の励起を速めることができ、ミラー１３０に過剰な応力が加わることも防止できる。

尚、実施形態２においても、ＢＤセンサ４０４によるレーザ光の検知周期が所定の周期になったかどうかを判定し、所定の周期になったときに、圧電素子１１１の駆動を停止するようにしても良い。

尚図５及び図１０のフローチャートにおいて、レーザ光の発光開始を圧電素子の駆動よりも先に行っても、後で行ってもいずれでも良い。

また図５のステップＳ４とＳ５、また図１０のステップＳ１５とＳ１６の順序は逆でも良い。

以上説明したように本実施形態によれば、ミラー部を揺動させる駆動の立ち上げ時に、定常作動時に必要とされるよりも大きな振動エネルギーを基板に与えることにより、ミラーの回転振動の立ち上げに要する時間を短縮できる。

また、ミラーにより反射された光を検出して駆動信号を切り替えることにより、過剰な応力が梁等に加わった状態が持続されるのを防止でき、速やかに通常の動作状態を作り出すことができる。

これにより例えば、電源のＯＮ／ＯＦＦを頻繁に繰り返す省電力モードで使用した場合にも、起動時間を短くでき、安定性、耐久性に優れた光走査装置を実現できる。

図１１は、本実施の形態に係る光走査装置を用いたレーザビームプリンタ（ＬＢＰ）の全体構成を示す模式断面図である。

ピックアップローラ（給送ローラ）１１００は、その回転により、カセット１１０１に積載されたシート（記録媒体）を最上側より送り出す。１１０２はリタードローラ対であり、ピックアップローラ１１００の回転により送り出されたシートを一枚ずつに分離して搬送する。１１０３，１１０４は、こうして１枚ずつに分離されたシートを本体内で搬送する搬送ローラである。

１１０５は、画像形成に関する公知のプロセス手段を内蔵したプロセスカートリッジで、このプリンタ装置本体に着脱可能に設けられている。このプロセスカートリッジ１１０５には像担持体としての感光体ドラム１１０６が内蔵されている。１１０７は帯電器で、感光体ドラム１１０６の表面を一様に帯電する。帯電器１１０７により帯電された感光体ドラム１１０６の表面に、上述した本実施形態１，２に係る光走査装置１１１０から画像情報に応じたレーザ光が照射されることにより、その表面に静電潜像が形成される。現像器１１０８は、静電潜像が形成された感光体ドラム１１０６の表面にトナーを付着させることによりその静電潜像をトナー像にする。この感光体ドラム１１０６には転写ローラ１１１１が押圧されており、搬送ローラ１１０４により搬送されたシートが感光体ドラム１１０６と転写ローラ１１１１との間を通過する際に、このドラム表面のトナー像がシートに転写される。定着装置１１１２は、こうして画像が転写・形成された後のシートに対して熱及び圧力を印加して転写画像を定着させる。そして、画像が定着された後のシートが搬送されて、排出ローラ対１１１３により装置上面に形成された排出トレイ１１１４に画像面を下側にして排出される。１１０９はクリーニング器で、転写されずに感光体ドラム１１０６の表面に残ったトナーを回収してドラム表面を清掃する。１１１５は、両面印刷用のシート搬送路である。

こうして本実施形態に係る光走査装置は、レーザ光により画像を形成する画像形成装置（プリンタ）にも適用できる。

またこの光走査装置は、原稿上に光を走査させて、その原稿を読み取るスキャナ（画像読み取り装置）にも適用できる。

またこの光走査装置は、スクリーンや網膜に光を走査させて、画像を表示するディスプレイにも適用できる。

周知の駆動方式を説明する図である。 本実施形態１に係る光走査装置のミラーを振動させるミラー振動部の構成を説明する図である。 本実施形態１に係る、圧電素子の振動によって基板に発生された板波による基板の変形とミラーの回転振動の様子を説明する図である。 本実施形態１に係る光走査装置の概略構成を示すブロック図である。 本実施形態１に係る制御部によるレーザ走査の立ち上げ時の処理を説明するフローチャートである。 本実施形態１に係る圧電素子の駆動信号の一例を示す図である。 本発明の実施形態２に係る光走査装置のミラーを振動させるミラー振動部の構成を説明する図である。 本実施形態２において、２つの圧電素子で発生された板波による基板の変形の様子を説明する図である。 本実施形態２に係る駆動信号の一例を示す図である。 本実施形態２に係る制御部によるレーザ走査の立ち上げ時の処理を説明するフローチャートである。 本実施の形態に係る光走査装置を用いたレーザビームプリンタ（ＬＢＰ）の全体構成を示す模式断面図である。

符号の説明

１００ 基板
１１０，１１１，１１２ 圧電素子（圧電膜）
１２０ 捩れ梁
１３０ ミラー
１６０ 固定部材
２００，２０１ 駆動回路

Claims (6)

1. 基板に設けられた支持部により支持されたミラー部を揺動させ、光源からの光を当該ミラー部により反射させて走査させる光走査装置であって、
   前記基板を前記ミラー部が設けられた側の反対側端部で固定する固定部材と、
   前記基板上に設けられ当該基板に板波を発生させるための振動源と、
   前記振動源を駆動する駆動手段と、
   前記駆動手段による前記振動源の駆動を制御すると共に、前記ミラー部を揺動させる駆動の立ち上げ時、前記駆動手段から前記振動源に供給する電圧を通常駆動時よりも高くするように制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする光走査装置。
2. 前記光源からの光が前記ミラー部で反射されたことを所定位置で検出する検出手段を更に有し、
   前記制御手段は、前記ミラー部を揺動させる駆動の立ち上げ時、前記検出手段により前記光が検出されると前記駆動手段から前記振動源に供給する電圧を通常駆動時の電圧にするように制御することを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 基板に設けられた支持部により支持されたミラー部を揺動させ、光源からの光を当該ミラー部により反射させて走査させる光走査装置であって、
   前記基板を前記ミラー部が設けられた側の反対側端部で固定する固定部材と、
   前記基板上に設けられ当該基板に板波を発生させるための第１及び第２の振動源と、
   前記第１及び第２の振動源を駆動する駆動手段と、
   前記駆動手段による前記第１及び第２の振動源の駆動を制御すると共に、前記ミラー部を揺動させる駆動の立ち上げ時、前記駆動手段により前記第１及び第２の振動源の少なくともいずれか一方に供給する電圧を通常駆動時よりも高くするように制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする光走査装置。
4. 前記光源からの光が前記ミラー部で反射されたことを所定位置で検出する検出手段を更に有し、
   前記制御手段は、前記ミラー部を揺動させる駆動の立ち上げ時、前記検出手段により前記光が検出されると前記駆動手段から前記第１及び第２の振動源の少なくともいずれか一方に供給する電圧を通常駆動時の電圧にするように制御することを特徴とする請求項３に記載の光走査装置。
5. 前記第１及び第２の振動源は、前記板波の振幅の山が表れる位置に設けられていることを特徴とする請求項４又は５に記載の光走査装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光走査装置と、
   前記光走査装置から照射される画像情報に応じたレーザ光により記録媒体に像を形成する手段と、
   を有することを特徴とする画像形成装置。

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