JP2010060592A - 光学デバイス、光スキャナ及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光反射部の変形を低減することのできる光学デバイス、光スキャナ及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】板状の可動板２１１と、可動板２１１を回動可能に支持する一対の軸部材２１２、２１３と、一対の軸部材２１２、２１３を捩り変形させ、可動板２１１を回動させる駆動手段６とを備え、可動板２１１は、光を反射する光反射部２１１ａと、光反射部２１１ａと一対の軸部材２１２，２１３との間に配置される接続部２１１ｂ、２１１ｃとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を反射する光反射部を有する光学デバイス、光スキャナ及び画像形成装置に関する。

従来、この種の光学デバイス（アクチュエータ）として、光反射部（反射ミラー）が設けられた可動板と、可動板を軸支する軸部材（トーションバー）とを備えるアクチュエータであって、軸部材を捩り変形させることにより可動板を回転させるように構成したものが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２００５−２９５６４６号公報

しかしながら、従来の光学デバイスでは、可動板を駆動する際に、軸部材の捩り変形による力が可動板に伝達し、可動板における軸部材との接続部分に局所的に大きな撓みを生じさせる。その結果、可動板に設けられた光反射部が大きく変形し、例えば光反射部によって反射された光がぶれたりずれたりするという問題があった。

本発明は前述の問題に鑑みてなされたものであり、光反射部の変形を低減することのできる光学デバイス、光スキャナ及び画像形成装置を提供することを目的の１つとする。

本発明に係る光学デバイスは、板状の可動部と、前記可動部を回動可能に支持する一対の軸部材と、前記一対の軸部材を捩り変形させ、前記可動部を回動させる駆動手段とを備え、前記可動部は、光を反射する光反射部と、前記光反射部と前記一対の軸部材との間に配置される接続部とを有する。

かかる構成によれば、可動部が、光を反射する光反射部と、光反射部と一対の軸部材との間に配置される接続部とを有するので、接続部が緩衝部として機能し、軸部材の捩り変形による力を吸収することができる。これにより、接続部を介して軸部材に接続される光反射部の変形を低減することができる。

好ましくは、前記接続部は、前記可動部より硬い補強部材が設けられる。
かかる構成によれば、接続部に可動部より硬い補強部材が設けられるので、接続部が軸部材の捩り変形による力を更に吸収することができる。これにより、接続部を介して軸部材に接続される光反射部の撓み（変形）を更に低減することができる。

前記補強部材は、前記可動部の両面に設けられる。
かかる構成によれば、補強部材が可動部の両面に設けられるので、補強部材を設けることによる応力が互いに打ち消されるとともに、補強部材を設けることによる可動部全体の重心のずれが少なくなる。これにより、補強部材を設けることによる可動部の反り（変形）を低減することができる。

好ましくは、前記補強部材は、ダイヤモンド及びダイヤモンドライクカーボンのうち少なくとも一方を含む。

かかる構成によれば、補強部材が、ダイヤモンド及びダイヤモンドライクカーボンのうち少なくとも一方を含むので、軸部材の捩り変形による力を更に吸収することができるとともに、熱伝導率の高い補強部材によって、光反射部に入射した光による熱を放出することができる。これにより、熱が加わることによって軸部材及び可動部（振動系）の共振振周波数が下がる（変化する）のを防止することができる。

本発明に係る光スキャナは、前述した本発明に係る光学デバイスを備える。
かかる構成によれば、前述した本発明に係る光学デバイスを備えるので、光反射部の変形を低減することができる。これにより、光反射部によって反射された光がぶれたりずれたりするのを防止することができ、優れた光学特性を有する光スキャナを実現することができる。

本発明に係る画像形成装置は、前述した本発明に係る光スキャナを備える。
かかる構成によれば、前述した本発明に係る光スキャナを備えるので、光反射部の変形を低減することができる。これにより、光反射部によって反射された光がぶれたりずれたりするのを防止することができ、優れた描画特性を有する画像形成装置を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
（光学デバイス）
最初に、図１乃至図６を参照して本発明に係る光学デバイスについて説明する。図１は、本発明に係る光学デバイスの構成を説明する上面図である。図２は、図１に示したＡ−Ａ線矢視方向断面図である。図３は、図１に示したＢ−Ｂ線矢視方向断面図である。なお、以下の説明では、図１中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」といい、図２中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」といい、図３中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」という。

光学デバイス１は、光の向きを変更するためのものであり、例えば光スキャナなどに用いられ、光源から照射された光を対象物に走査する。図１に示すように、光学デバイス１は基体２を備える。また、光学デバイス１は、図２に示すように、基体２を支持する支持基板３と、支持基板３を介して基体２と対向する対向基板５とを備え、図３に示すように、振動系２１を駆動する駆動手段６を備える。

図１に示すように、基体２は、枠状の支持部２２と、支持部２２に支持された振動系２１とを含んで構成される。振動系２１は、支持部２２の内側に設けられた可動板２１１と、可動板２１１を支持部２２に両持ち支持する一対の軸部材２１２、２１３とを含んで構成される。

各軸部材２１２、２１３は、棒状をなしており、弾性変形可能である。また、各軸部材２１２、２１３は、可動板２１１を支持部２２に対して回動可能とするように、可動板２１１と支持部２２とを連結する。軸部材２１２、２１３は、互いに同軸上に設けられており、当該軸（以下、回動軸Ｘという）を中心として、可動板２１１が支持部２２に対して回動するように構成される。なお、可動板２１１の中心は、回動軸Ｘ上に位置する。

可動板２１１は板状をなしており、回動軸Ｘまわりに回動可能に設けられている。すなわち、後述するように、駆動手段６によって一対の軸部材２１２、２１３が捩れ変形し、、可動板２１１は回動軸Ｘまわりに回動する。

可動板２１１の上面（対向基板５と反対側の面）には、光反射性を有する略円形の光反射部２１１ａが設けられ、可動板の２１１の下面（対向基板５と対向する面）には、後述の磁性体６１が設けられている。また、可動板２１１は、それぞれ光反射部２１１ａと、軸部材２１２又は軸部材２１３との間に配置される接続部２１１ｂ、２１１ｃを有する。これにより、接続部２１１ｂ、２１１ｃが緩衝部として機能し、軸部材２１２、２１３の捩り変形による力を吸収することができる。

なお、接続部２１１ｂ、２１１ｃのサイズは特に限定されないが、接続部２１１ｂ、２１１ｃの幅（図１における長手方向の長さ）は、軸部材２１２、２１３の幅以上、かつ、光反射部２１１ａの径の１／２以下で、接続部２１１ｂ、２１１ｃの長さ（図１における短手方向の長さ）は幅の１／２以下であることが好ましい。

図２に示すように、結合部２１１ｂ、２１１ｃの上面には補強部材２１１ｄ、２１１ｅが設けられ、結合部２１１ｂ、２１１ｃの下面には補強部材２１１ｆ、２１１ｇが設けられている。補強部材２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ、２１１ｇは、可動板２１１より硬い材料で構成される。これにより、接続部２１１ｂ、２１１ｃが軸部材２１２、２１３の捩り変形による力を更に吸収することができる。

なお、補強部材２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ、２１１ｇは、可動板２１１より硬い材料であればよく、特に限定されない。但し、補強部材２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ、２１１ｇは、例えばダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（以下、ＤＬＣという）などの硬度が高く、かつ、熱伝導率の高い材料を含むものが好ましい。これにより、軸部材２１２、２１３の捩り変形による力を更に吸収することができるとともに、熱伝導率の高い補強部材２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ、２１１ｇによって、光反射部２１１ａに入射した光による熱を放出することができる。

本実施形態では、結合部２１１ｂ、２１１ｃの上面及び下面に、補強部材２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ、２１１ｇに設けるようにしたが、これに限定されず、例えば後述のＤＬＣ膜のように薄膜を形成することにより、結合部２１１ｂ、２１１ｃの上面及び下面のうち何れか一方の面のみに補強部材を設けるようにしてもよい。但し、補強部材は結合部２１１ｂ、２１１ｃの上面及び下面の両面に設けられるのが好ましい。これにより、補強部材２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ、２１１ｇを設けることによる応力が互いに打ち消されるとともに、補強部材２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ、２１１ｇを設けることによる可動板２１１全体の重心のずれが少なくなる。

図４は、図１に示した可動板の変形例を説明する要部拡大図である。図５は、図１に示した軸部材及び結合部の変形例を説明する要部拡大図である。結合部２１１ｂ、２１１ｃの形状は特に限定されず、図４に示すように、例えば可動板２１１の平面形状が楕円になるように、結合部２１１ｂ、２１１ｃの形状を形成してもよい。また、図５に示すように、軸部材２１２と接続部２１１ｂとの接続部分（図における矢印部分）を曲線にして丸みをつけ、軸部材２１２と接続部２１１ｂとが滑らかに一体的に接続するようにしてもよい。なお、軸部材２１３と接続部２１１ｃとの接続部分も、同様にしてもよい（図示省略）。これにより、軸部材２１２、２１３の捩り変形によって、軸部材２１２、２１３と接続部２１１ｂ２１１ｃとの接続部分に応力が集中し、接続部分が破断するおそれを低減することができる。

支持基板３は、例えばガラスやシリコンを主な材料として構成されている。支持基板３の平面形状は、支持部２２と略同一形状をなしている。なお、支持基板３の平面形状は、特に限定されず、基体２を支持することができればよい。また、支持部２２の形状などによっては、支持基板３を省略してもよい。支持基板３と基体２との接合方法は、特に限定されず、例えば接着剤を用いて接合してもよいし、陽極接合により接合してもよい。また、例えば基体２と支持基板３との間に、ＳｉＯ_２を主な材料として構成されたＳｉＯ_２層が介在していてもよい。

図２に示すように、対向基板５は板状をなしており、支持基板３を介して基体２と対向するように設けられている。対向基板５は、例えばガラスやシリコンを主な材料として構成される。対向基板５の上面にはコイル６２が設けられている。

図３に示すように、駆動手段６は、磁性体６１と、コイル６２と、電源６３とを含んで構成される。なお、図３では、説明の便宜上、磁性体６１の左側をＮ極とし、右側をＳ極としたものを示す。

磁性体６１は、例えば永久磁石であり、その材料はネオジウム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石、ボンド磁石などの硬磁性体を着磁したものを好適に用いることができる。なお、既に着磁された硬磁性体（すなわち、永久磁石）でもよいし、硬磁性体を可動板２１１に設けた後に、硬磁性体を着磁することで永久磁石としてもよい。

コイル６２は、磁性体６１に磁界を作用させるためのものであり、磁性体６１の直下に設けられている。すなわちコイル６２は、可動板２１１の下面に対向するように設けられている。これにより、コイル６２から発生する磁界を効率的に磁性体６１に作用させることができる。

また、コイル６２は、電源６３と電気的に接続されている。電源６３によってコイル６２に電圧が印加されることにより、回動軸Ｘに直交する軸方向の磁束を有する磁界がコイル６２から発生する。なお、コイル６２は磁心に巻き付けられていてもよい。

電源６３は、可動板２１１を回動軸Ｘまわりに回動させるための電圧Ｖ１を発生し、コイル６２に印加するためのものである。電源が発生する電圧Ｖ１は、電圧値が例えば正弦波のように周期的に変化している。本実施形態では、電圧Ｖ１の周波数は、可動板２１１と１対の軸部材２１２、２１３とを含んで構成された振動系２１のねじり共振周波数と等しくなるように設定されている。これにより、可動板２１１の回動軸Ｘまわりの回動角を大きくすることができる。

以上のような構成の光学デバイス１は、次のように動作する。すなわち、電源６３から電圧Ｖ１をコイル６２に印加すると、磁性体６１（可動板２１１）が、回動軸Ｘを軸として図３において時計回り（右回り）方向のトルクを受ける磁界（この磁界を「磁界Ａ１」という）と、反時計回り（左回り）方向のトルクを受ける磁界（この磁界を「磁界Ａ２」という）とが、電圧Ｖ１によって交互に発生する。このような磁界Ａ１と磁界Ａ２とが交互に切り換わることで、軸部材２１２、２１３を捩れ変形させつつ、可動板２１１が第１の電圧Ｖ１の周波数で回動軸Ｘまわりに回動する。

また、光学デバイス１は、可動板２１１に磁性体６１が設けられ、磁性体６１に対向するように対向基板５上にコイル６２が設けられている。つまり、振動系２１上には発熱体であるコイル６２が設けられていない。そのため、通電によってコイル６２から発生する熱による基体２の熱膨張を抑制することができる。これにより、光学デバイス１は、長時間の連続使用であっても、所望の振動特性を発揮することができる。

本実施形態では、駆動手段６が磁界を発生させることにより、可動板２１１を回動軸Ｘまわりに回動させるようにしたが、これに限定されず、例えばクーロン力などによって可動板２１１を回動軸Ｘまわりに回動させるようにしてもよい。

次に、図６を参照して本発明に係る光学デバイスの製造方法について説明する。図６は、図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。なお、以下の説明では、図６中の上側を「上」、下側を「下」と言う。

まず、図６（ａ）に示すように、基体２を形成するためのＳｉ基板１００を用意し、図６（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１００の上面及び下面に、例えばＤＬＣ成膜装置などを用いて化学気相成長法（ＣＶＤ）などの方法により、ＤＬＣ膜１０１を成膜する。なお、例えばＳｉ基板１００の厚さが３０μｍである場合、ＤＬＣ膜１０１の厚さは例えば１０ｎｍ程度が好ましい。

次に、図６（ｃ）に示すように、ＤＬＣ膜１０１の上面に、補強部材２１１ｄ、２１１ｅの平面形状に対応する形状をなすレジストマスクＭ１を形成するとともに、ＤＬＣ膜１０１の下面に、補強部材２１１ｆ、２１１ｇの平面形状に対応する形状をなすレジストマスクＭ２を形成する。

次に、レジストマスクＭ１を介してＤＬＣ膜１０１をエッチングする。その後、レジストマスクＭ１を除去する。同様に、レジストマスクＭ２を介してＤＬＣ膜１０１をエッチングする。その後、レジストマスクＭ２を除去する。これにより、図６（ｄ）に示すように、後述の工程で可動板２１１となるＳｉ基板１００の上面及び下面に、補強部材２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ、２１１ｇが形成される。

なお、エッチング方法としては、例えばプラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング、ビームエッチング、光アシストエッチングなどの物理的エッチング法、ウェットエッチングなどの化学的エッチング法のうち、１種又は２種以上を組み合わせて用いることができる。以下の各工程のエッチングにおいても、同様の方法を用いることができる。

次に、図６（ｅ）に示すように、補強部材２１１ｄ、２１１ｅが形成されたＳｉ基板１００の上面に、可動板２１１、軸部材２１２、２１３、及び支持部２２の平面形状に対応する形状をなすレジストマスクＭ３を形成する。

次に、レジストマスクＭ３を介してＳｉ基板１００をエッチングする。その後、レジストマスクＭ３を除去する。これにより、図６（ｆ）に示すように、可動板２１１、軸部材２１２、２１３、及び支持部２２が一体的に形成される。このように、補強部材２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ、２１１ｇを形成した後に、可動板２１１などが形成されるので、先に可動板２１１などを形成する場合と比較して、Ｓｉ基板１００にＤＣＬ膜１０１を均一の厚さに成膜するのが容易であるとともに、可動板２１１などを形成していないので、補強部材を形成する際のエッチングに対してＳｉ基板１００の強度が低下していない。

次に、図６（ｇ）に示すように、可動板２１１の上面に金属膜を形成し、光反射部２２１ａを形成する。このような金属膜の形成方法としては、真空蒸着、スパッタリング（低温スパッタリング）、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射法、金属箔の接合等が挙げられる。また、可動板２１１の下面に例えば硬磁性体を設け、硬磁性体を着磁することで、磁性体６１が得られる。

一方、支持基板３及び対向基板５のそれぞれを、Ｓｉ基板１００をエッチングすることで形成する（図示省略）。このような支持基板３及び対向基板５のそれぞれの製造方法としては、前述したようなＳｉ基板１００から基体２などを形成する方法であってもよい。なお、対向基板５の上面には、コイル６２が固着される。

最後に、基体２が形成されたＳｉ基板１００と、支持基板３と、対向基板５とを接合することで、図６（ｈ）に示すように、光学デバイス１が得られる。接合方法としては、特に限定されず、例えば、接着剤を用いて接合してもよいし、陽極接合によって接合してもよい。

このように、本発明に係る光学デバイス１によれば、可動板２１１が、光を反射する光反射部２１１ａと、光反射部２１１ａと一対の軸部材２１２、２１３との間に配置される接続部２１１ｂ、２１１ｃとを有するので、接続部２１１ｂ、２１１ｃが緩衝部として機能し、軸部材２１２、２１３の捩り変形による力を吸収することができる。これにより、接続部２１１ｂ、２１１ｃを介して軸部材２１２、２１３に接続される光反射部２１１ａの変形を低減することができる。

また、接続部２１１ｂ、２１１ｃに可動板２１１より硬い補強部材２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ、２１１ｇが設けられるので、接続部２１１ｂ、２１１ｃが軸部材２１２、２１３の捩り変形による力を更に吸収することができる。これにより、接続部２１１ｂ、２１１ｃを介して軸部材２１２、２１３に接続される光反射部２１１ａの撓み（変形）を更に低減することができる。

また、補強部材２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ、２１１ｇが可動板２１１の上面及び下面に設けられるので、補強部材２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ、２１１ｇを設けることによる応力が互いに打ち消されるとともに、補強部材２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ、２１１ｇを設けることによる可動板２１１全体の重心のずれが少なくなる。これにより、補強部材２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ、２１１ｇを設けることによる可動板２１１の反り（変形）を低減することができる。

また、補強部材２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ、２１１ｇが、ダイヤモンド及びダイヤモンドライクカーボンのうち少なくとも一方を含むので、軸部材２１２、２１３の捩り変形による力を更に吸収することができるとともに、熱伝導率の高い補強部材２１１ｄ、２１１ｅ、２１１ｆ、２１１ｇによって、光反射部２１１ａに入射した光による熱を放出することができる。これにより、熱が加わることによって軸部材２１２、２１３及び可動板２１１（振動系２１）の共振振周波数が下がる（変化する）のを防止することができる。

（光スキャナ）
以上説明したような光学デバイス１は、光反射部２１１ａを備えているため、例えば、レーザープリンタ、バーコードリーダー、走査型共焦点レーザー顕微鏡、イメージング用ディスプレイ等の画像形成装置に備える光スキャナに好適に適用することができる。なお、本発明の光スキャナは、前述した光学デバイス１と同様の構成であるため、その説明を省略する。

このように、本発明に係る光スキャナによれば、前述した本発明に係る光学デバイス１を備えるので、光反射部２１１ａの変形を低減することができる。これにより、光反射部２１１ａによって反射された光がぶれたりずれたりするのを防止することができ、優れた光学特性を有する光スキャナを実現することができる。

（画像形成装置）
次に、図７を参照して本発明に係る画像形成装置について説明する。図７は、本発明に係る光スキャナを備える画像形成装置の一例を示す模式的断面図である。

図７に示す画像形成装置（イメージングディスプレイ）１１９は、光スキャナである光学デバイス１と、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色の光源１９１、１９２、１９３と、クロスダイクロイックプリズム（Ｘプリズム）１９４と、ガルバノミラー１９５と、固定ミラー１９６と、スクリーン１９７とを備えている。

このような画像形成装置１１９にあっては、光源１９１、１９２、１９３からクロスダイクロイックプリズム１９４を介して光学デバイス１（光反射部２１１ａ）に各色の光が照射される。このとき、光源１９１からの赤色の光と、光源１９２からの緑色の光と、光源１９３からの青色の光とが、クロスダイクロイックプリズム１９４にて合成される。そして、光反射部２１１ａで反射した光（３色の合成光）は、ガルバノミラー１９５で反射した後に、固定ミラー１９６で反射し、スクリーン１９７上に照射される。

その際、光学デバイス１の動作（可動板２１１の回動軸Ｘまわりの回動）により、光反射部２１１ａで反射した光は、スクリーン１９７の横方向に走査（主走査）される。一方、ガルバノミラー１９５の軸線Ｙまわりの回転により、光反射部２１１ａで反射した光は、スクリーン１９７の縦方向に走査（副走査）される。また、各色の光源１９１、１９２、１９３から出力される光の強度は、図示しないホストコンピュータから受けた画像情報に応じて変化する。

このように、本発明に係る画像形成装置１１９よれば、前述した本発明に係る光スキャナを備えるので、光反射部２１１ａの変形を低減することができる。これにより、光反射部２１１ａによって反射された光がぶれたりずれたりするのを防止することができ、優れた描画特性を有する画像形成装置１１９を実現することができる。

なお、本発明の構成は、前述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。

本発明に係る光学デバイスの構成を説明する上面図である。 図１に示したＡ−Ａ線矢視方向断面図である。 図１に示したＢ−Ｂ線矢視方向断面図である。 図１に示した可動板の変形例を説明する要部拡大図である。 図１に示した軸部材及び結合部の変形例を説明する要部拡大図である。 図１に示した光学デバイスの製造方法の一例を説明する断面図である。 本発明に係る光スキャナを備える画像形成装置の一例を示す模式的断面図である。

符号の説明

１…光学デバイス、６…駆動手段、２１１…可動板、２１１ａ…光反射部、２１１ｂ，２１１ｃ…接続部、２１１ｄ，２１１ｅ，２１１ｆ，２１１ｇ…補強部材、２１２，２１３…軸部材、１１９…画像形成装置。

Claims (6)

1. 板状の可動部と、
   前記可動部を回動可能に支持する一対の軸部材と、
   前記一対の軸部材を捩り変形させ、前記可動部を回動させる駆動手段とを備え、
   前記可動部は、光を反射する光反射部と、前記光反射部と前記一対の軸部材との間に配置される接続部とを有する
   ことを特徴とする光学デバイス。
2. 前記接続部は、前記可動部より硬い補強部材が設けられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記補強部材は、前記可動部の両面に設けられる
   ことを特徴とする請求項２に記載の光学デバイス。
4. 前記補強部材は、ダイヤモンド及びダイヤモンドライクカーボンのうち少なくとも一方を含む
   ことを特徴とする請求項２に記載の光学デバイス。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の光学デバイスを備える
   ことを特徴とする光スキャナ。
6. 請求項５に記載の光スキャナを備える
   ことを特徴とする画像形成装置。

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