JP2010134420A

JP2010134420A - 光走査装置及び画像形成装置

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Publication number: JP2010134420A
Application number: JP2009191779A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Mizoguchi; 安志溝口; Norio Nakamura; 典生中村; Hirokazu Yamaga; 洋和山賀
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2010-06-17

Abstract

【課題】近接投影を行う場合に、投影面全体で解像度を一定にすることができる光走査装置および画像形成装置を提供する。
【解決手段】レーザビームを出射する光源３と、所定の軸を中心にして回動可能に構成され、光反射部で反射したレーザビームを対象物に走査する光偏向器１と、光偏向器１による垂直方向の走査ラインの間隔が一定になるように、垂直走査ミラー１ｂの単位時間あたりの偏向角変化量を制御する駆動制御部７と、駆動制御部７によって決定された回動角度に従って光偏向器１を回動駆動させる駆動部２を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光走査装置及び画像形成装置に関するものである。

レーザ光を用いるディスプレイ、プリンタ等に応用することを目的とした光偏向器においては、さらなる高速スキャンが要求されている。しかし、現状で用いられているポリゴンミラーやガルバノミラーの性能の向上には限界がある。これらに代わる光偏向器としてＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）によってシリコン基板を加工することにより製作するミラーデバイスが期待されている。ＭＥＭＳミラーはより高い共振周波数で駆動させることができるため、より解像度の高い画像形成が可能となる。このようなＭＥＭＳミラーを用いた近距離からの投影（近接投影）を行うプロジェクタは、少人数の打ち合わせなどで用いるのに便利である。

特許文献１には、往復走査される光ビームを走査線上の特定位置で通過時刻を計測し、計測された往復２つの通過時刻の値から、偏向器の駆動信号に対する偏向器の往復走査の時間的遅れに対応する遅延時間データを算出し、さらに、１走査周期内における光ビームの変調開始時刻または終了時刻に対応するタイミングデータを算出することにより、画像の変動を防ぐ光偏向装置について記載されている。
また、特許文献２には、少人数の打ち合わせを狭い場所で行う際に使い易い投影表示装置について記載されている。

特開２００３−１３１１５１号公報特開２００３−２８００９１号公報

しかし、近接投影の場合、垂直方向の走査ライン同士の間隔が、ミラーから遠くなるにつれて広がっていくため、画像の解像度が画面全体で均等ではなくなり、特許文献１や２に記載された従来の装置では、この点を解決することができなかった。

そこで、本発明は、近接投影を行う場合に、投影面全体で解像度を一定にすることができる光走査装置および画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光走査装置は、レーザビームを出射する光源と、所定の軸を中心にして回動可能に構成され、光反射部で反射した前記レーザビームを対象物に走査する光偏向部と、前記光偏向部による垂直方向の走査ラインの間隔が一定になるように、前記光偏向部の単位時間あたりの垂直方向の偏向角変化量を制御する駆動制御部と、前記駆動制御部によって決定された前記回動角度に従って前記光偏向部を回動駆動させる駆動部と、を備える。

本発明によれば、垂直方向の走査ラインの間隔が一定になるように、光偏向部の単位時間あたりの偏向角変化量を制御するようにしたので、投影面全体で解像度を一定にすることができる。

また、前記駆動部は、通電による圧電素子の伸縮を利用して、前記光偏向部を回動駆動させることが望ましい。
圧電素子は数ナノメートル単位でのステップ駆動が可能なため、微妙な偏向角の制御が行いやすくなる。よって、単位時間あたりの垂直方向の偏向角変化量を変化させるように制御する場合には、駆動部として圧電素子の伸縮を利用することが望ましい。

また、前記光反射部に、スペーサを挟んで固定された伝達部を備え、圧電素子は、その伸縮方向における一端が前記伝達部と接触しており、前記伝達部が前記圧電素子の伸縮による駆動力を前記光反射部に伝達することにより、前記光偏向部が前記所定の軸を中心にして回動することが望ましい。
これにより、圧電素子の変位が直接光反射部に伝わるため、ダンピングなどを考慮する必要がない。

また、前記光偏向部がガルバノミラーであってもよい。
ガルバノミラーは、回転角と駆動電流の関係が明らかであるため、駆動電流により光偏向部の偏向角を容易に制御することができる。

本発明に係る画像形成装置は、の光走査装置を備えたものである。
本発明によれば、垂直方向の走査ラインの間隔が一定になるように、光偏向部の単位時間あたりの偏向角変化量を制御するようにしたので、近接投影を行う場合に、投影面全体で解像度を一定にすることができる。

実施の形態１による、光走査装置の構成を示すブロック図である。光偏向器の構成を示す平面図である。図２のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。光走査装置を備えたプロジェクタと投影面を示す斜視図である。プロジェクタと投影面Ｓを横から見た図である。図６（Ａ）は、比較例による光走査装置の垂直方向の偏向角の制御方法を示す図、図６（Ｂ）は、実施の形態１による光走査装置の垂直方向の偏向角の制御方法を示す図である。実施の形態２による、光偏向器の構成を示す平面図である。図７のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による、光走査装置１０の構成を示すブロック図である。図に示すように、光走査装置１０は、光偏向器（光偏向部）１、駆動部２、光源３、ダイクロイックミラー４、レーザ駆動部５、画像情報記憶部６、駆動制御部７、ミラー位置検出部４０を備えている。

光偏向器１は、ダイクロイックミラー４から送られたレーザ光を水平方向に走査する水平走査ミラー１ａと水平走査ミラー１ａにより反射されたレーザ光を垂直方向に走査する垂直走査ミラー１ｂとを含む。また、駆動部２は、水平走査ミラー１ａを駆動する水平走査ミラー駆動部２ａと垂直走査ミラー１ｂを駆動する垂直走査ミラー駆動部２ｂとからなる。図２は、水平走査ミラー１ａと水平走査ミラー駆動部２ａの構成を示す平面図である。また、図３は図２のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。

水平走査ミラー１ａは、表面側に反射膜２１が形成された可動板１１、支持枠１２、可動板１１を支持枠１２に対してねじり回転可能に支持する一対の弾性支持部１３を有する。可動板１１、支持枠１２、及び弾性支持部１３は、例えば、シリコン基板をエッチング加工することにより一体形成される。

また、本実施形態における水平走査ミラー駆動部２ａは、永久磁石２２とコイル２３と交流電流信号生成回路２４からなる。永久磁石２２は、可動板１１の反射膜２１と反対側に接合されている。永久磁石２２は、可動板１１を平面視したときに、可動板１１の回転中心軸である軸線Ｘに直交する方向に磁化されている。すなわち、永久磁石２２は、軸線Ｘを介して対向する互いに極性の異なる一対の磁極を有している。支持枠１２は、ホルダ２０に接合されており、ホルダ２０上には、可動板１１を駆動させるためのコイル２３が配置されている。

交流電流信号生成回路２４によって周期的に変化する電流（交流）がコイル２３に供給される。これにより、コイル２３は上方（可動板１１側）に向く磁界と、下方に向く磁界とを交互に発生させる。これにより、コイル２３に対し磁石２２の一対の磁極のうち一方の磁極が接近し他方の磁極が離間するようにして、弾性支持部１３を捩れ変形させながら、可動板１１がＡ軸回りに回動させられる。この時、交流電流信号で生成する電流の周波数は、可動板１１と弾性支持部１３と永久磁石２２とで形成される振動系のねじり共振周波数と略一致するように設定されている。

図２では、永久磁石２２とコイル２３間の電磁力を利用した駆動方式の振動ミラーを示している。しかしながら、本発明は、静電引力を利用した方式や、圧電素子を利用した方式を採用してもよい。例えば、静電引力を利用した方式の場合には、磁石２２は不要であり、コイル２３の代わりに可動板１１に対向する１つ又は複数の電極が設置される。そして、可動板１１と電極との間に周期的に変化する交流電圧を印加することにより、可動板１１と電極との間に静電引力を作用させて、弾性支持部１３を捩れ変形させながら、可動板１１をＡ軸回りに回動させる。この場合、可動板１１と弾性支持部１３とで形成される振動系のねじり共振周波数と略一致するように設定されている。

光源３は、レーザビームを出射する光源である。
光源３は、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源３Ｒと、青色レーザ光を出射する青色レーザ光源３Ｂと、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源３Ｇとを有する。ただし、２色以下又は４色以上のレーザ光源を用いてもよい。

ダイクロイックミラー４は、赤色レーザ光源３Ｒからの赤色レーザ光を反射するダイクロイックミラー４Ｒと、青色レーザ光を反射し赤色レーザ光を透過させるダイクロイックミラー４Ｂと、緑色レーザ光を反射し青色レーザ光及び赤色レーザ光を透過させるダイクロイックミラー４Ｇとを有する。この３種のダイクロイックミラー４により、赤色レーザ光、青色レーザ光、及び緑色レーザ光の合成光が水平走査ミラー１ａに入射する。

レーザ駆動部５は、赤色レーザ光源３Ｒ、青色レーザ光源３Ｂ、及び緑色レーザ光源３Ｇに供給する電流量を制御することにより、各々の光源から出射されるレーザ光の強度及び発光時間を制御する。

画像情報記憶部６には、光走査装置１０によって走査されるレーザ光によって投影面に形成される画像の情報が記憶されている。

駆動制御部７は、画像情報記憶部６から供給される画像情報と、ミラー位置検出部４０から供給される水平走査ミラー１ａ及び垂直走査ミラー１ｂの偏向角度情報に基づいて、これらの画像を表示すべく、駆動部２の動作を制御する。また、投影する画像の情報をレーザ駆動部５に供給する。特に本実施形態では、駆動制御部７は、垂直方向の走査ラインの間隔が一定になるように、垂直走査ミラー１ｂの単位時間あたりの偏向角変化量を制御する。偏向角情報は水平及び垂直に走査された光を光センサ（不図示）で検出して生成してもよい。

次に、図４，５を用いて光走査装置１０の動作について説明する。図４は、光走査装置１０を備えたプロジェクタ（画像形成装置）９０と投影面Ｓを示す斜視図、図５は、プロジェクタ９０と投影面Ｓを横から見た図である。

図４に示すように、プロジェクタ９０は底面が投影面Ｓに接している。図４において点線で囲まれた領域は、プロジェクタ９０による描画領域を示している。走査方向１が水平走査方向で走査方向２が垂直走査方向である。

図５において、θ₀、θ₁、θ₂・・・は、垂直走査ミラー１ｂによる垂直方向の偏向角を表しており、偏向角θ₀で第０ラインを描画し、偏向角θ₁で第１ラインを描画する。
図に示すように、垂直方向の走査ラインの間隔は一定になっており、垂直方向の走査ライン数をｍとすると、光走査装置１０に近い方からｎ（ｎは０以上ｍ−１以下の整数）番目の走査ラインを描画する際の偏向角θ_nは、下記の式（１）のように表せる。
θ_n＝ｔａｎ^-1（ｂ＋ｎ・ｄ／ｍ−１）・１／ａ−ｔａｎ^-1（ｂ＋（ｎ−１）・ｄ／ｍ−１）・１／ａ …（１）
ただし、ａは投影面Ｓから光偏向器１までの高さ、ｂは光偏向器１から第０ラインまでの水平距離である。

図６（Ａ）は、比較例による光走査装置の垂直方向の偏向角の制御方法を示す図である。図６（Ａ）に示す例では、単位時間あたりの偏向角θの変化量を一定にしているが、このように制御すると、垂直方向の走査ラインの間隔が光走査装置から遠くなるにつれて広くなる。このため画像の解像度が画面全体で均等にならなくなってしまう。

一方、本実施形態では、駆動制御部７によって、垂直方向の走査ラインの間隔が一定になるように垂直走査ミラー１ｂの偏向角を制御するため、図６（Ｂ）に示すように単位時間あたりの偏向角θの変化量は一定にならない。

以上のように、本実施形態によれば、垂直方向の走査ラインの間隔が一定になるように、垂直走査ミラー１ｂの単位時間あたりの偏向角変化量を制御するようにしたので、投影面全体で解像度を一定にすることができる。

なお、本発明の光走査装置１０の各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
また、本実施形態の光走査装置１０は水平走査ミラー１ａと垂直走査ミラー１ｂを備える構成であるが、２軸の周りでの回動が可能な１つのミラーを備え、１つのミラーで水平方向と垂直方向の走査を行う構成であってもよい。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２による垂直走査ミラー１ｂ及び垂直走査ミラー駆動部２ｂの構成を示す平面図である。また、図８は図７のＩＩ−ＩＩ線における断面図である。実施の形態２では光走査装置１０の垂直走査ミラー駆動部２ｂは、通電による圧電素子の伸縮を利用して、垂直走査ミラー１ｂを回動駆動させる。

図７、８に示すように、光走査装置１０の垂直走査ミラー１ｂは、表面に反射膜２１を形成した可動板（光反射部）１１、可動板１１を支持枠１２に対して回動可能に支持する１対の弾性支持部１３、支持枠１２を接続層４４を挟んで支えるように配置されるホルダ２５、可動板にスペーサ３３を挟んで固定される伝達部材（伝達部）３２からなる。
また、図７，８に示すように、垂直走査ミラー駆動部２ｂは、１対の圧電素子３１と圧電素子３１に交流電圧信号を印加する交流電圧生成回路（不図示）を備えている。

圧電素子３１は、軸線Ａに垂直な方向に伸縮するように配置されている。圧電素子３１は、その伸縮方向における一端がホルダ２５に接合・支持され、他端が伝達部材３２に接合又は接触するように配置されている。この時、圧電素子にはオフセット電圧が印加された状態（伸びを生じた状態）で配置されていてもよい。

圧電素子３１は特に限定されないが、圧電体層と電極層とが交互に複数積層されてなるものが好ましい。これにより、圧電素子３１の伸縮方向の寸法と圧電素子３１への印加電圧（駆動電圧）とを抑えつつ、圧電素子３１の変位量を大きくすることができる。圧電素子３１は、交流電源（図示せず）に接続されていて、周期的に変化する電圧が印加されるようになっている。これにより、圧電素子３１を伸縮させることができる。

伝達部材３２は、圧電素子３１の駆動力を受けて、軸線Ａに垂直な方向に変位することにより、可動板１１を軸線Ａまわりに回動させる機能を有する。
伝達部材３２は、軸線Ａに対し可動板１１の厚さ方向に偏心した位置で可動板１１に接合され、圧電素子３１の駆動力を可動板１１に伝達するように構成されている。より具体的に説明すると、伝達部材３２は、圧電素子３１に接触または、接合され、弾性支持部１３近傍でスペーサ３３を介して可動板１１に接合されている。
本実施形態の垂直走査ミラー１ｂにおいて、可動板１１、弾性支持部１３、スペーサ３３、伝達部材３２、支持枠１２、接続層４４、ホルダ２５は第一のシリコン層と第二のシリコン層の間に酸化膜層を有する基板（所謂、ＳＯＩ基板）を除去加工することで一体形成してもよい。具体的には、第一のシリコン層に可動板１１、と弾性支持部１３と支持枠１２とを形成、酸化膜層にスペーサ３３と接続層４４を形成、第二のシリコン層に伝達部材３２とホルダ２５とを形成する。

垂直走査ミラー駆動部２ｂは、通電により圧電素子３１を伸縮させることにより、伝達部材３２が可動板１１に軸線Ａまわりのトルクを与え、可動板１１を回動させる。圧電素子３１の伸縮方向は可動板１１の厚さ方向に直角な方向であるため、可動板１１の厚さ方向における光走査装置１０の寸法を抑えつつ、圧電素子３１の伸縮方向での長さを大きくして、圧電素子３１の変位量を大きくすることができる。

圧電素子３１の変位量に対する可動板１１の回動角は、可動板１１の厚さ方向における軸線Ａと圧電素子３１（力点）との距離に大凡応じたものとなり、当該距離や力点は、圧電素子３１の取り付け位置や形状などによって適宜設定される。また、圧電素子３１の取り付け位置は、伝達部材３２の厚さや形状などによって任意に設計することができる。そのため、光走査装置１０の設計自由度を向上させることができる。さらに、伝達部材３２が可動板１１の厚さ方向における可動板１１の一方の端（本実施形態では、下面）に接合されているため、伝達部材３２が可動板１１に効果的に軸線Ａまわりのトルクを与えることができる。そのため、可動板１１の回転中心軸である軸線Ａのブレを防止して、可動板１１を円滑に回動させることができる。また、ＳＯＩ基板を用いて一体形成した場合には、各要素の位置精度が高く、また生産性も高い。

以上のように、圧電素子３１の伸縮を利用して垂直走査ミラー１ｂの可動板１１を駆動させることにより、圧電素子は数ナノメートル単位でのステップ駆動が可能なため、微妙な偏向角の制御が行いやすくなる。また、圧電素子３１の変位が伝達部材３２を介して直接可動板１１に伝わるため、ダンピングなどを考慮する必要がない。すなわち、電磁駆動や静電駆動の場合、可動板１１が自由に動くことができるので、ダンピングなどを考慮する必要があるが、本実施形態では、圧電素子３１が伝達部材３２を介して可動板１１に直に接しているので、可動板１１を圧電素子３１の動きと連動させることができる。よって、本発明による光走査装置１０のように、単位時間あたりの垂直方向の偏向角変化量を変化させるように制御する場合には、光偏向器１の駆動手段として本実施形態のように圧電素子の伸縮を利用することが望ましい。なお、垂直方向の駆動手段にのみ圧電素子を用い、水平方向の駆動手段には、実施の形態１のように電磁力を利用するようにしてもよい。

また、垂直走査ミラー１ｂにはガルバノミラーを用いてもよい。ガルバノミラーは、目標回転角と駆動電流の関係が明らかであるため、図６（Ｂ）に示す偏向角を目標回転角とした場合に、駆動電流により偏向角を容易に制御することができる。ガルバノミラーを用いた構成は、実施の形態２で示した圧電素子を用いた構成よりもサイズが若干大きくなり、コスト高ではあるが、制御が容易であるというメリットがある。

１光偏向器、１ａ水平走査ミラー、１ｂ垂直走査ミラー、２駆動部、２ａ水平走査ミラー駆動部、２ｂ垂直走査ミラー駆動部、３光源、３Ｒ赤色レーザ光源、３Ｂ青色レーザ光源、３Ｇ緑色レーザ光源、４ダイクロイックミラー、５レーザ駆動部、６画像情報記憶部６、７駆動制御部、１０光走査装置、１１可動板、１２支持枠、１３弾性支持部、２０，２５ホルダ、２１反射膜、２２永久磁石、２３コイル、２４交流電流信号生成回路、３１圧電素子、３２伝達部材、３３スペーサ、９０プロジェクタ

Claims

レーザビームを出射する光源と、
所定の軸を中心にして回動可能に構成され、光反射部で反射した前記レーザビームを対象物に走査する光偏向部と、
前記光偏向部による垂直方向の走査ラインの間隔が一定になるように、前記光偏向部の単位時間あたりの垂直方向の偏向角変化量を制御する駆動制御部と、
前記駆動制御部によって決定された前記回動角度に従って前記光偏向部を回動駆動させる駆動部と、を備えた光走査装置。
前記駆動部は、通電による圧電素子の伸縮を利用して、前記光偏向部を回動駆動させることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
前記光反射部に、スペーサを挟んで固定された伝達部を備え、
前記圧電素子は、その伸縮方向における一端が前記伝達部と接触しており、
前記伝達部が前記圧電素子の伸縮による駆動力を前記光反射部に伝達することにより、前記光偏向部が前記所定の軸を中心にして回動することを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
前記光偏向部がガルバノミラーであることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
請求項１から請求項４のいずれかに記載の光走査装置を備えた画像形成装置。