JP2013152449A - 振動素子および光走査装置ならびにこれを用いた画像形成装置および画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光学ミラーを高速で往復振動させた場合でも、動的撓みを確実に防止する振動素子を提供する。
【解決手段】トーションバー３１となる線材の一部を加工して櫂型の平面形状部５１を形成する。次に、平面形状部５１へ光学ミラーを設ける。このとき、トーションバー部と平面形状部のヤング率は同等または平面形状部のヤング率の方が大きい構成とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、振動素子および光走査装置ならびにこれを用いた画像形成装置および画像投影装置に関する。

振動素子は、光源からの光を走査する手段として光走査装置において使用されることがある。一般に、光走査装置は、トーションバー、光学ミラー及び磁石からなる振動系の共振を利用して、小さな電力で大きな振幅の光走査を行う。

特許文献１に記載の振動素子は、光学ミラーの保持部に切欠を設け、当該切欠にトーションバーを圧入することで、製作されている。磁石は、接着剤で固定されている。

特開平１０−００３０５５号公報

特許文献１の振動素子では、光を走査するために往復振動する光学ミラー部を支持するトーションバーの剛性が十分でなく、振動によって光学ミラー部が慣性力により撓むなどの動的な変形が生じてしまう。このような動的撓みは、ミラー部で反射した光の光学特性に大きな影響を与えることになるので、極力低減させる必要がある。

また、特許文献１の振動素子では、光を走査するために光学ミラー部が往復振動した際に、光学ミラーの保持部の内部でもトーションバーに捻り変形が生じ、保持部材とトーションバーとの間に摩擦が生じる。この摩擦により振動が不安定になってジッターの増大や異常振動の発生を招くおそれがある。また、トーションバーに接合部が形成されて光学ミラーと接合されている場合であっても、接合部分のトーションバーの剛性が低ければ、同様に接合部の内部でトーションバーに捻り変形が生じ、接合部の剥離や振動の不安定性を生じるおそれがある。さらに、保持部においてトーションバーの剛性が低い場合、外部からの衝撃などにより光学ミラー部のみが前後に傾倒する振動が生じ、走査線の副走査方向への変動や異常振動の原因となる。

そこで、本発明は、光学ミラーを高速で往復振動させた場合でも、動的撓みを確実に防止する振動素子を提供する。

また、本発明は、光学ミラーを高速で往復振動させた場合でも、異常振動などを生じずに安定した走査が可能な振動素子を提供することも可能である。

本発明は、たとえば、トーションバーの一部に揺動体を支持する平面形状部が設けられ、前記トーションバーのうち前記平面形状部のヤング率は、それ以外の部分のヤング率と同等またはそれより大きいことを特徴とする振動素子を提供する。

本発明では、光学ミラーを高速で往復振動させた場合でも、トーションバーの剛性が高く、光学ミラーの動的撓みを低減し、安定した振動特性を実現する振動素子を提供できる。

光走査装置の平面図である。 図１に示される光走査装置のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 図１に示される光走査装置を構成する振動素子の振動部のＩＶ−ＩＶ線に沿う拡大断面図である。 反りがあるトーションバーの理想揺動軸線と揺動体の重心との関係を模式的に示す概念図である。 櫂型のトーションバーの製造工程を示す図である。 ループ型のトーションバーの製造工程を示す図である。 Ｌ型のトーションバーの製造工程を示す図である。 様々な形状のトーションバーの一例を示す図である。 各種の振動素子についての経時的な信頼性試験の結果を示す図である。 平面形状の形成工程と切断工程を示す図である。 切断工程後の線材（トーションバー）を示す図である。 揺動体３２をトーションバーに接合した状態を示す図である。 画像形成装置を示す図である。 画像投影装置を示す図である。

図１ないし図４を用いて振動素子について説明する。図１において振動素子３０の細長いトーションバー３１の一端には揺動体３２が取り付けられており、他端は枠体２１に取り付けられている。トーションバー３１はねじり梁と呼ばれることもある。揺動体３２は、第１の板部材３３、第２の板部材３４によって形成されている。揺動体３２の内部には磁石３５が設けられている。磁界発生部７０は、磁石３５が発生する磁界に対応した磁界を発生するコイルにより構成されている。磁石３５は、揺動体３２またはトーションバー３１に取り付けられた第１磁界発生手段として機能する。また、磁界発生部７０は、第１磁界発生手段が発生する磁界に対応した磁界を発生し、トーションバー３１を変形させて揺動体３２を回動させることで、光を光反射面によって走査させる第２磁界発生手段として機能する。なお、第１磁界発生手段がコイルにより構成されてもよい。同様に、磁界発生部７０が磁石により構成されてもよい。

図２によれば、振動素子３０は、さらに、ベース２０およびカバー部材４０を備えていることが示されている。揺動体３２には、光源からの光が入射するまたは照射される光反射面３１１が形成されている。ベース２０は、トーションバー３１や磁界発生部７０、カバー部材４０を支持する支持構造体である。枠体２１は、基板２２上に設けられ、基板２２の周縁部を取り囲み、ベース２０の外周縁部を構成している。基板２２上には磁界発生部７０のシートコイルが設けられている。基板２２は、保持部材２３によって保持されている。カバー部材４０は、光学的に透明な部材により形成されている。なお、カバー部材４０のうち、光反射面３１１に対して入射する光が透過する部分だけが光学的に透明な部材により形成されていれば十分である。カバー部材４０は、ベース２０の枠体２１の上に重ね合わされている。カバー部材４０、枠体２１、基板２２および保持部材２３は一体的に接合される。これらによって形成された内部空間Ｓには、棒状の細長いトーションバー３１と、これに支持される揺動体３２が収容されている。

図３によれば、揺動体３２を、トーションバー３１の長さ方向に直交した方向で切断して得られた切断面を示している。揺動体３２は、トーションバー３１の長さ方向の回りに回動する。ここでは、揺動体３２の揺動による光反射面３１１の振れ角をαとしている。第１の板部材３３および第２の板部材３４は、それぞれの接合面３３２、３４２を介して密着接合されている。

図４によれば、理想揺動軸線Ａ_Ｒに対して、トーションバー３１の長手方向軸線Ｏ−Ｏが傾いている状態が示されている。本実施例に係るトーションバー３１は、図７に示されるように、感光ドラム２０４の回転軸線に対して直交する軸線（以下、これを「理想揺動軸線Ａ_Ｒ」という）に沿って延在する。すなわち、理想揺動軸線Ａ_Ｒは、図７では、紙面に対して垂直な方向に延在する。理想揺動軸線Ａ_Ｒに対してトーションバー３１の長手方向軸線Ｏ−Ｏが傾いていると、走査のずれが生じるため、本実施例では、後述する規制部材を採用する。図４に示すように、トーションバー３１が片持ち梁として支持されるように、トーションバー３１の基端側がベース２０の枠体２１とカバー部材４０との間に固定される。トーションバー３１の末端は内部空間Ｓ内に配置される磁界発生部７０のシートコイルの中央部分にまで延在している。トーションバー３１は、その末端側において揺動体３２を固定して支持している。したがって、トーションバー３１の末端側に支持される揺動体３２は、トーションバー３１の長手方向軸線（図２において、Ｏ−Ｏ線で表されている。）を中心として、トーションバー３１の弾性捩れを伴いつつ揺動する。このことから、トーションバー３１の長手方向軸線Ｏ−Ｏが、理想揺動軸線Ａ_Ｒと一致させるようにトーションバー３１を形成することが望ましい。図１から図３に示した実施例では、長手方向軸線Ｏ−Ｏが理想揺動軸線Ａ_Ｒと一致しているものとして描かれている。

本実施例に係る揺動体３２は、トーションバー３１を挟んで相互に接合される同一寸法形状を有する２枚の矩形状板部材としての第１の板部材３３および第２の板部材３４を含んでいる。第１の板部材３３および第２の板部材３４は、それぞれの接合面３３２、３４２を介して密着接合されるとともに、接合面３３２、３４２のそれぞれは、トーションバー３１の長手方向軸線Ｏ−Ｏと平行となるように設定される。また、第１の板部材３３および第２の板部材３４は、それぞれの接合面３３２、３４２が基板２２に形成されたシートコイルの平面と略平行となるように、トーションバー３１に対して接合される。

図２および図３に示されているように、光反射面３１１は、第１の板部材３３の接合面３３２と表裏の関係に位置し、カバー部材４０に対向している。この光反射面３１１は、アルミニウム（Ａｌ）や金（Ａｕ）などを第１の板部材３３の表面に蒸着することによって形成されてもよいし、予めシリコンウエハのような鏡面加工された板状部材を第１の板部材３３の表面に貼り付けることで形成されてもよい。光反射面３１１は、長手方向軸線Ｏ−Ｏと揺動体３２の重心位置とを含む仮想平面に対して平行に配置される。第１の板部材３３は、このように光反射面３１１を形成されることから光学ミラーを構成しているといえる。

本実施例における素子駆動部は、揺動体３２またはトーションバー３１に固定される磁石３５、ベース２０に設けられている磁界発生部７０のシートコイルおよびシートコイルに交流電流を与える電源回路（不図示）を備えている。素子駆動部は、トーションバー３１、揺動体３２、磁石３５で構成される振動系の共振周波数に対応した交流電流を磁界発生部７０のシートコイルに流し、交番磁界を発生させる。それにより、揺動体３２内部に配置された磁石３５が揺動体３２の光反射面３１１を揺動軸線回りに揺動、すなわち、振れ回すことができる。したがって、この振動系の振幅、すなわち、揺動体３２の光反射面３１１の振れ角αの大きさは、磁界発生部７０のシートコイルに与えられる電流量によって調整可能である。交流電流の波形は、正弦波以外に三角波やパルス出力などであってもよい。

〔平面形状部の製造方法〕
図５ないし図８を用いて長さ方向に直交した方向の断面が円形のトーションバー３１に平面形状部を作る方法について説明する。本実施例では、断面の直径がφ０．２４ｍｍのトーションバー３１を材料として使用した。平面形状部の加工方法としては、プレス加工や折り曲げ加工を採用した。

＜櫂型トーションバー＞
図５（Ａ）は、プレス加工によって平面形状部５１を形成されたトーションバー３１を示している。平面形状部５１は、櫂のような形状をしている。図５（Ｂ）は、プレス加工により形成された平面形状部５１に対して第１の板部材３３および第２の板部材３４を取り付けた様子を示している。

図５（Ａ）の矢印はプレス加工による圧力を示している。トーションバー３１の側面に対して２方向から加圧することで、平面形状部５１が形成される。プレス加工に使用される２つのシャンクの加圧面はそれぞれ並行な平面である。プレス加工は、低コストで行うことができ、容易であることから、迅速に加工が可能であるといった利点がある。なお、平面形状部５１を形成できるのであれば、プレス加工以外の加工方法が採用されてもよい。

平面形状部５１の厚みｔは、シャンクに付与される荷重により調節が可能である。ただし、平面形状部５１の厚みｔが薄くなりすぎると、加工境界部にクラックが入ったり、トーションバー３１を駆動したときに加工境界部が破断したりすることがある。そこで、断面の直径がφ０．２４ｍｍのトーションバー３１に対しては、厚みｔは０．１ｍｍ以上とすると、これらの懸念が大幅に緩和される。つまり、プレス加工前のトーションバー３１の厚みに対してプレス加工後の厚みを４０％以上に制限すれば、十分であろう。

＜ループ型トーションバー＞
図６（Ａ）は、折り曲げ加工によって平面形状部５２を形成されたトーションバー３１を示している。図６（Ａ）が示すように、平面形状部５２は、トーションバー３１を３か所で折り曲げることで形成されている。そのため、平面形状部５２はループ型をなしている。この例では、トーションバー３１の平面形状部５２は、三角形の形状をしているが、図８（Ａ）や図８（Ｂ）が示すように、円形、多角形など、左右対称な形状であれば十分である。平面形状部５２を左右対称とすることで、トーションバー３１と揺動体３２の左右の質量バランスが取りやすくなる。図６（Ｂ）は、折り曲げ加工により形成された平面形状部５２に対して第１の板部材３３および第２の板部材３４を取り付けた様子を示している。

平面形状部５２の形成方法としては、プレス加工が挙げられる。また、フォーミング加工が採用されてもよい。フォーミング加工は、スプリングバックに対応し、ツール方向を自由に設定できるため、製造上の利点が多い。なお、複数個所でトーションバー３１を折り曲げる場合、１箇所目の折り曲げ方向が平面形状部５２と平行となるように、１箇所目の折り曲げ方向を基準として２箇所目以降の折り曲げ方向を決定する。

＜Ｌ型トーションバー＞
図７（Ａ）は、折り曲げ加工によって平面形状部５３を形成されたトーションバー３１を示している。図７（Ａ）が示すように、平面形状部５３は、トーションバー３１を１か所で折り曲げることで形成されている。そのため、平面形状部５３はＬ型をなしている。ここでは、ループ形状ではない形状を総括してＬ型と呼ぶことにする。たとえば、図８（Ｃ）が示すように、複数個所で折り曲げて形成されているものの、全体としてループ形状でない形状は、本明細書においてＬ型形状と呼ぶことにする。なお、Ｌ型のトーションバーの場合、そのままでは揺動体３２の左右のバランスがとれない。そこで、平面形状部５３には、錘５４が追加されている。図７（Ｂ）が示すように、錘５４は、Ｌ型の曲げられた部分の反対側に配置されている。これにより、トーションバー３１および揺動体３２の左右のバランスがとれるようになる。なお、図８（Ｄ）が示すように、錘５４は複数であってもよい。これは、トーションバー３１および揺動体３２の左右のバランスがとれれば、十分だからである。図７（Ｂ）は、折り曲げ加工により形成された平面形状部５３に対して第１の板部材３３および第２の板部材３４を取り付けた様子を示している。

＜性能評価＞
図９は、各種のトーションバーについて信頼性試験を実行して得られた経時的な周波数シフトを示している。各トーションバーとも共振周波数が２０００Ｈｚになるように設計し、駆動周波数も２０００Ｈｚ前後に設定した。振幅角は±４０度に固定された。各トーションバーとも、２０００時間連続で駆動した。

図９において、円形トーションバーとは、従来技術のトーションバーである。すなわち、２枚の光学ミラーの一方の面にそれぞれ溝を形成し、その溝が形成された面同士を貼り合せ、最後に溝に断面円形のトーションバーを圧入して作成された振動素子のことである。櫂型トーションバーとは、図５（Ｂ）に示した振動素子である。ループ型トーションバーとは、図６（Ｂ）に示した振動素子である。Ｌ型トーションバーとは、図７（Ｂ）に示した振動素子である。

図９が示すように、円形トーションバーについては、共振周波数が低周波数側に十数Ｈｚのシフトが発生した。共振周波数が低周波数側へ大きくシフトしたときの振動素子では、円形トーションバーと光学ミラーとを接合している接着剤が白化して破壊されていた。この現象により、円形トーションバーのバネ定数に変化が起こり、共振周波数が低周波数側へシフトしたと考えられる。

図９が示すように、櫂型トーションバーについては、共振周波数が低周波数側に数Ｈｚのシフトが発生したにすぎず、従来の円形トーションバーと比較して、シフト量が大幅に改善していることがわかる。なお、櫂型トーションバーを駆動しているときに、異常振動は認められなかった。

図９が示すように、ループ型トーションバーについても、共振周波数が低周波数側に数Ｈｚのシフトが発生したにすぎず、従来の円形トーションバーと比較して、シフト量が大幅に改善していることがわかる。ただし、ループ型トーションバーでは、ループ形状のバラツキにより回転重心がずれてしまうことがある。よって、ループ形状のバラツキができるだけ小さくなるように、ループ形状を加工することが要求される。

図９が示すように、Ｌ型トーションバーについても、共振周波数が低周波数側に数Ｈｚのシフトが発生したにすぎず、従来の円形トーションバーと比較して、シフト量が大幅に改善していることがわかる。ただし、Ｌ型トーションバーでは、錘５４の質量と配置位置のバラツキにより、回転重心のズレが発生しうる。よって、錘５４の質量と配置位置のバラツキができるだけ小さくなるように、錘５４を加工して位置決めすることが要求される。

このように、本実施例はトーションバー３１に円形材料を用い、光学ミラーに対する接合部の形状を平面形状部にすることを特徴としている。接合部を平面形状部とすることで、経時変化で発生する剥離や固定位置のズレが抑制され、その結果として共振周波数のシフト量が改善される。また、接合部を平面形状部とするための加工は容易であり、振動素子を低コストで製作できるようになる。振動素子を低コスト化できれば、それを採用する光走査装置及び画像投影装置並びに画像形成装置も低コスト化できるだろう。

〔振動素子の製造方法〕
本実施例の振動素子３０の製造方法について説明する。具体的には、平面形状部の剛性を高くする振動素子３０の製造方法について説明する。

図１０（Ａ）は、加工前の断面が円形の線材６０を示している。線材６０は、振動部（トーションバー３１）の一部となる円形断面の線状材料である。線材６０の断面の直径はφである。ここでは、一例として、φを０．２４ｍｍとしている。なお、平面形状部６１を形成する工程の前に、線材６０の真直度矯正工程が実行されてもよい。真直度矯正工程を実行しておくことで、線材６０から形成されるトーションバー３１の精度がさらに向上することになる。

図１０（Ｂ）が示すように、上述したプレス加工などを用いて、線材６０に平面形状部６１が形成される。図１０（Ｂ）によれば、線材６０を２つの方向（径方向）から加圧することで、線材６０の一部を平面形状部６１に変形させている。上述したように、平面形状部６１の厚みｔは、線材６０の直径φの４０％以上とする。

ここで、トーションバー３１については、上述したように平面形状部６１を形成するが、トーションバー３１のうち平面形状部６１のヤング率は、それ以外のトーションバー３１の部分と同等またはそれより大きくしてもよい。これにより、トーションバー３１に支持される揺動体（本実施例では光学ミラー）を高速で往復振動させた場合でも、揺動体３２の動的撓みを低減し、安定した振動特性を実現する振動素子を提供することができる。これは、トーションバー３１の剛性が高く、また平面形状部６１の剛性（ヤング率）を他の部分と比べて相対的に高めているためである。

たとえば、トーションバー３１の材質として後述する時効硬化型の材料（具体的には、トーションバー３１を構成する線材６０の材質を時効硬化型の材料）としてもよい。加工硬化した線材６０に平面形状部６１を形成して最終的に時効硬化処理すると、平面形状部６１のヤング率は、それ以外の部分のヤング率と同等またはそれよりも大きくなる。すなわち、線材６０を含むトーションバー３１の本体部分と、その本体部分の一部にプレス加工等で形成された平面形状部６１との間で予め構造的な形状差をつけておくことにより、その後の時効硬化処理において平面形状部６１のヤング率を本体部よりも大きくすることが可能となる。

また、上述した事例では線材６０の材質として時効硬化型の材料を用いて説明したが、本発明はこれに限定されることはない。その他の材料、具体的には、線材６０を金属材料で形成した場合にも本発明を適用できる。すなわち、金属材料を含む線材６０の少なくとも一部に平面形状部６１をプレス加工等で形成するにあたり、平面形状部６１の寸法（幅や厚み、形状等の寸法）を調整することにより、平面形状部６１のヤング率を調整するようにしてもよい。

なお、トーションバー３１を構成する線材６０の材質として後述する時効硬化型の材料を用いた場合においては、平面形状部６１を形成する部分には、平面形状部６１の加工前に、時効硬化処理の温度以上で熱処理を実施してもよい。すなわち、平面形状部６１を形成する工程においては、線材６０の少なくとも一部（平面形状部６１を形成する部分）に時効硬化処理温度以上での熱処理を施した後、当該熱処理した部分に平面形状部６１を形成するようにしてもよい。このように時効硬化処理温度以上の温度で熱処理することで、その部分の伸びが大きくなるため形状加工が容易となり、クラック等を抑制することができる。具体的な加熱方法としては、たとえば、スポットレーザー加熱や電磁誘導加熱等による部分的な加熱方法が挙げられる。このように、平面形状部６１を形成するにあたり前処理として熱処理を施す場合、熱処理における温度条件は、時効硬化処理後の平面形状部６１のヤング率がそれ以外の部分のヤング率と同等またはそれよりも大きくなるようにする。すなわち、平面形状部６１を加工し易くする程度の必要最低限の熱処理であればよい。これにより、必要以上の熱処理を施したことで生じる平面形状部６１のヤング率の低下を有効に抑制することができる。

また、上述した事例では線材６０の材質として時効硬化型の材料を用いて説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、その他の材料、具体的には、線材６０を金属材料で形成した場合にも適用できる。すなわち、金属材料を含む線材６０の少なくとも一部に対し、線材６０の少なくとも表面応力を調整する軟化処理（たとえば、焼きなまし（焼鈍）処理）を施し、その軟化状態で平面形状部６１を形成するにあたり、平面形状部６１の寸法（幅や厚み、形状等の寸法）を調整してもよい。これにより、平面形状部６１のヤング率を調整するようにしてもよい。
〔トーションバー部の加工手順〕
本実施例における、トーションバー３１へ平面形状部６１を形成するプロセス方法について説明する。

まず、トーションバー３１には丸線材を用いているが、たとえば、ダイス加工で丸線材からトーションバー３１を製作する。この加工は、所望のトーションバー外形形状を確定する際に発生する第１の加工硬化処理である。

次に、トーションバー３１の先端部や中間部に平面形状部６１を製作する。たとえば、プレス加工などにより平面形状部６１を製作する。この加工は、平面形状部６１にとっては第２の加工硬化処理となる。よって、この工程でトーションバー部とのヤング率を同等以上にすることができる。

また、トーションバー３１の一部に設ける平面形状部６１へ、部分的にスポットレーザー等の手段を用い、時効硬化処理温度以上（本実施例では７００℃以上）の熱処理を施してもよい。これにより、熱処理した部分の伸びが大きくなるため加工が容易となる。

次に、トーションバー３１と平面形状部６１の時効硬化処理を行う。本実施例で用いた時効硬化材料の時効処理温度は５５０℃〜５７５℃が適切である。

このようなプロセスによって、平面形状部６１はトーションバー部以上のヤング率となる。

なお、平面形状部５１を形成した後に、振動特性を向上させるために行う熱処理は時効硬化であるが平面形状部５１に施されてもよい。熱処理によって、トーションバー３１のヤング率が向上するとともに、平面形状部６１の歪みを減少させることができる。平面形状部６１の形成工程の前に熱処理工程を実行してしまうと、平面形状部６１の形成工程の後に線材６０の加工性が低下したり、歪みが大きくなったりする。よって、平面形状部６１の形成工程の後に熱処理工程が実行することで、加工性の低下と歪を抑制できるようになる。

振動素子の種類としては、揺動体３２が１つだけの単一型振動素子と、揺動体３２が複数の複数型振動素子とがある。とりわけ、単一型振動素子では、トーションバー３１の一端にトーションバー３１の保持部が形成され、他端に揺動体３２の接合部である平面形状部６１が形成される。よって、保持部と平面形状部６１とを同時にプレス加工して形成することで、回転軸方向への位置ズレが低減される。その結果、ユニット組込み時の位置出し精度も向上する。

図１０（Ｂ）は、複数の平面形状部６１を形成した線材６０を示している。ここでは、線材６０の両方の先端部だけでなく、その中間部にも平面形状部６１が形成されている。中間部に形成された平面形状部６１の領域内の中央を、線材６０の長さ方向に直交した方向で切断する。これにより、切断後に残された平面形状部６１は、上述した保持部または反射面を有する反射部材を接合するための接合部となる。このように、平面形状部６１の中央で線材６０を分断することで、線材６０の廃棄物をゼロにすることができる。このように、複数の中間部に平面形状部６１を形成することで、一本の線材６０から多数のトーションバー３１を形成できるようになる。

図１１（Ａ）は、切断によって形成されたが片持ち型のトーションバー３１を示している。片持ち型のトーションバー３１では、線材６０の両先端部に平面形状部６１が形成される。一方の平面形状部６１がミラー面の接合面として機能し、他方の平面形状部６１がトーションバー保持部として機能する。図１２（Ａ）は、片持ち型のトーションバー３１を備えた振動素子を示している。

図１１（Ｂ）は、切断によって形成されたが両持ち型のトーションバー３１を示している。線材６０の両方の先端部だけでなく、その中間部にも平面形状部６１が形成されている。線材６０の両端部に設けられた平面形状部６１は、保持部として機能する。また、線材６０の中央部に設けられた平面形状部６１は、ミラー面の接合面として機能する。図１２（Ｂ）は、両持ち型のトーションバー３１を備えた振動素子を示している。

ところで、平面形状部６１の切断工程においては、図１０（Ｂ）に示すように複数の振動素子用の平面形状部６１を形成され線材６０が、１つの振動素子ごとに切断される。平面形成工程と切断工程の順序はどちらが先でもよい。たとえば、線材６０を１つの振動素子に応じた長さに切断した後で、平面形状部６１が形成されてもよい。

以上の工程により線材６０を加工することで、トーションバー３１を容易に、特性バラツキも少なく、かつ、大量に生産することができる。これは、本実施例が、高コストで長時間にわたる成膜工程を使用せずに、接合部である平面形状部６１を形成できるからである。

＜揺動体の接合方法＞
図１２（Ａ）や図１２（Ｂ）に示すような振動素子を製作するための、平面形状部６１に揺動体３２を接合する方法について説明する。

接合工程では、線材６０に設けられた平面形状部６１を、揺動体３２をなすことになる第１の板部材３３および第２の板部材３４で挟み込んで接合する。第１の板部材３３の接合面の反対側の面には光反射面３１１が形成される。第２の板部材３４にもミラー面が形成されてもよい。このように、線材６０の平面形状部６１を一対の反射部材で挟み込んで、一対の反射部材が線材６０に接合される。このとき、揺動体３２の接合面３３２、３４２に、平面形状部６１の幅および厚みと一致する溝を設けてもよい。この場合、接合面３３２、３４２および平面形状部６１の接合面積が増加するため、これらを密着させやすくなる。接合手段として、たとえば、接着剤や直接接合などが考えられるが、他の接合手段が採用されてもよい。

図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示した２種類の振動素子について経時的な信頼性の確認を行った。信頼性試験では、共振周波数を２０００Ｈｚ、駆動周波数も２０００Ｈｚ前後に設定した。また、振幅角を±４０ｄｅｇに固定し、２０００時間連続で振動素子を駆動した。その結果、共振周波数が低周波数側に数Ｈｚのシフトしたものの、信頼性が良好であることを確認できた。また、異常振動も発生しなかった。

また、この時、光学ミラーとしてＳｉを用いたが、動的撓みδは１×１０^−５ｍｍ以下と良好であった。

このように、本実施例では、光学ミラーを高速で往復振動させた場合でも、トーションバーの剛性が高く、光学ミラーの動的撓みを低減し、安定した振動特性を実現する振動素子を提供することができる。

なお、平面形状部６１の形成方法としては、引張り加工やしごき加工が採用されてもよい。また、平面形状部６１が形成された後で、時効硬化処理（熱処理）が施されてもよい。時効硬化処理とは、平面形状部６１に対する熱処理と、それ以外の線材６０の未変形部分（平面形状部６１の周囲の部分）に対する熱処理とがそれぞれ異なる温度条件下で実行される処理をいう。時効硬化処理によって、熱処理前と比べて、トーションバー３１のヤング率が向上する。

上述した実施例では、線材６０の断面形状を円形として説明したが矩形であってもよい。

〔材料など〕
次に、振動素子３０を構成するトーションバー３１、揺動体３２、磁石３５などの材料について以下に述べる。

トーションバー３１を構成する材料としては、たとえば、加工硬化処理および時効硬化処理が施された加工硬化および時効硬化型のコバルト（Ｃｏ）−ニッケル（Ｎｉ）基合金が好適である。ここでいうＣｏ−Ｎｉ基合金とは、ＣｏおよびＮｉを含有する金属合金である。Ｃｏ−Ｎｉ基合金は、好ましくは、積層欠陥エネルギーを低下させるクロム（Ｃｒ）と、マトリクスの固溶強化や、偏析により転位を固着して時効および加工硬化能の向上に寄与する溶質元素としてモリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）などを含む。本実施例では、Ｃｏ−Ｎｉ基合金として、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金やＣｏ−Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ合金などを例示することができる。また、これらの合金は、溶質元素として同様の働きをするニオブ（Ｎｂ）、面心立方格子相を安定化させて積層欠陥エネルギーを低下させるマンガン（Ｍｎ）、マトリクスの強化と積層欠陥エネルギーの低下に寄与するタングステン（Ｗ）などを含むことができる。さらに、これらの合金は、鋳塊組織の微細化や強度向上に寄与するチタン（Ｔｉ）、熱間加工性を改善するボロン（Ｂ）およびマグネシウム（Ｍｇ）、マトリクスに固溶してＣｒ、Ｍｏ、Ｎｂなどと炭化物を形成し、粒界を強化する炭素（Ｃ）などを含むことができる。

Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金を用いた場合、その主要組成の重量比は、Ｃｏ：２０．０〜５０．０％、Ｎｉ：２０．０〜４５．０％、Ｃｒ／Ｍｏ：２０．０〜４０．０％（Ｃｒ：１８〜２６％、Ｍｏ：３〜１１％）であることが好ましい。特に、Ｃｏ：３１．０〜３７．３％、Ｎｉ：３１．４〜３３．４％、Ｃｒ：１９．５〜２０．５％、Ｍｏ：９．５〜１０．５％とするのがさらに好ましい。

このＣｏ−Ｎｉ基合金をトーションバー３１の製品形状に加工するとともに、当該加工に伴って硬化処理を施して内部残留歪みを与えた後、時効硬化処理を施すことによって所望のトーションバー３１を得ることができる。

より具体的には、溶製後に熱間鍛造や均質化熱処理などの工程を経て得られた少なくともＣｏ及びＮｉを含むマトリクスに置換型の溶質元素を含有する出発原料から、冷間圧延による加工硬化処理を経てＣｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金材料を得る。この合金材料は、圧延方向に＜１００＞の集合組織が形成され、圧延方向と直交する方向に＜１１０＞の集合組織が形成される。したがって、本実施形態のトーションバー３１として採用する場合、プレス加工、レーザー加工、ダイス加工、ワイヤーカット、超塑性加工などによって圧延方向と直交する方向がトーションバー３１の長手方向となるように切り出して製品形状に
加工する。また、これらの加工に伴って、硬化処理を施して内部残留歪みを与えた後、真空中または還元雰囲気にて時効硬化処理を施すことによって所望のトーションバー３１を得ることができる。この時効硬化処理は、４００℃〜７００℃の温度で数十分から数時間程度（たとえば、５５０℃で２時間）行うのが最適であるが、処理時間を短縮するために、たとえば、強磁場中での熱処理を用いることも有効である。

これにより、高強度かつ振動減衰能が低く、しかも弾性限界の高い良好な振動特性を有するトーションバー３１を得ることができる。このような非磁性で加工硬化及び時効硬化型のＣｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金としては、たとえば、Ｃｏ：３５％、Ｎｉ：３２％、Ｃｒ：２０％、Ｍｏ：１０％の組成を有するセイコーインスツル株式会社のＳＰＲＯＮ５１０（商品名：ＳＰＲＯＮは、登録商標である。）を挙げることができる。

このようにして、共振周波数が尖鋭且つ振動が共振周波数に対して線対称となるような特性、すなわちＱ値が高く（たとえば、１０００以上）且つバネ特性の非線形性が非常に小さなトーションバー３１を得ることができる。このようなトーションバー３１は、振動変形による最大歪みが３×１０^−３ｍｍ程度まで大きくなっても不安定性を生じることがなく、消費電力が少ない振動素子３０を実現することができる。したがって、本実施例における画像形成装置２００は、所望の疲労特性および振動特性を確保しつつ小型化することが可能であり、ジッターなどの不安定性を低減させて安定したレーザー光の走査が可能であり、走査角の高精度な制御が可能となる。

なお、本実施例では、非磁性を示すＣｏ−Ｎｉ基合金にてトーションバー３１を形成しているが、これは、揺動体３２をトーションバー３１とともに揺動させる手段として、磁石と交番磁界を用いた場合、安定した駆動を実現することができるからである。したがって、素子駆動部２０７として、交番磁界以外の手段、たとえば、圧電素子などを利用することも可能である。トーションバー３１の材料としては、バネ材料として一般的に用いられるＳＵＳ ３０１、３０２、３０４、３１６、６３１、６３２などのステンレス鋼、バネ鋼（ＳＵＰ）、ピアノ線（ＳＷＰ）、バネ用炭素鋼のオイルテンパー線（ＳＷＯ）などを採用し得る。さらには、バネ用シリコンクロム鋼のオイルテンパー線（ＳＷＯＳＣ）、バネ用ベリリウム銅合金（Ｃ１７００、Ｃ１７２０）、バネ用チタン銅合金（Ｃ１９９０）、バネ用リン青銅（Ｃ５２１０）、バネ用洋白（Ｃ７７０１）なども採用することができる。

揺動体３２を構成する材料としては、アルミナ、ジルコニア、ベリリウム、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、サファイア、炭化ケイ素、二酸化ケイ素、ガラス、樹脂などの非磁性体を利用することができる。さらに、これらの表面を鏡面化することによって該表面を光反射面３１１として利用することも可能である。

揺動体３２を構成する第１の板部材３３の上面に形成される光反射面３１１については、上述したように、反射率を向上させるために、ＡｌやＡｕなどを蒸着やスパッタといった真空蒸着法によって形成してもよい。また、たとえば、チタン（Ｔｉ）、Ａｌ、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、Ａｕなどの金属膜が用いられてもよい。

しかしながら、金属膜は、その表面が比較的傷付き易く、また、酸化し易い。よって、金属膜のみで光反射面３１１を形成すると、徐々に反射率が低下してしまう。そこで、金属膜を保護するための保護膜が必要となる場合がある。また、金属膜単層では光反射面３１１として所望の反射率が得られない恐れもある。したがって、保護膜に増反射膜としての機能を持たせ、光反射面３１１全体としての反射率を高めることができれば、金属膜を保護しつつ、光の利用効率をあげることができる。

増反射膜は、たとえば、誘電体の低屈折率材料と高屈折率材料を組み合わせて積層することで形成される。低屈折率材料としては、たとえば、ＳｉＯ_２やＭｇＦ_２がある。高屈折率材料としては、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＺｒＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５などがある。但し、Ａｌ_２Ｏ_３のような中間屈折率材料を積層してもよい。なお、増反射膜の材料をこれらのみに限る必要はなく、適宜最適な材料を選択することができる。

また、揺動体３２とともにトーションバー３１に取り付けられる磁石３５は、できるだけ小型軽量であって高い保持力を有することが好ましく、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系やＳｍ−Ｃｏ系の希土類磁石などが好適である。しかしながら、磁石３５は、アルニコ磁石、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｖ合金磁石、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｆｅ合金磁石、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｃｏ合金磁石、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｃｏ磁石、Ｐｔ−Ｃｏ磁石などであってもよい。さらには、磁石３５は、ハードフェライト（ＢａフェライトやＳｒフェライト）などの焼結磁石やボンド磁石の他にスパッタ法などで形成した薄膜磁石であってもよく、材質や製造方法または形状などで特に制限されるものはない。

〔画像形成装置〕
上述した振動素子３０の揺動体３２に光反射面３１１を形成することで、振動素子３０は光走査装置として機能する。光走査装置は、たとえば、画像形成装置や画像投影装置としてさらに応用できる。ここでは、まず、画像形成装置について説明する。

図１３に本実施例における電子写真方式の画像形成装置２００を示す。感光ドラム２０４は、静電潜像やトナー画像を担持する像担持体である。感光ドラム２０４は、帯電部によって一様に帯電したあとに、露光部２１０によって光を照射され、静電潜像を形成される。静電潜像は、現像部によってトナー画像へと現像される。トナー画像は転写部によって記録媒体上に転写される。さらに、定着部においてトナー画像は記録媒体上に定着する。

露光部２１０は、光走査装置２２０、周知のコリメータ光学系２０２及びｆθレンズ２０３を備えている。光走査装置２２０は、画像情報に対応したパルス状のレーザー光Ｌを発振するためのレーザー光源２０１や上述した振動素子３０を備えている。振動素子３０が備える揺動体３２の光反射面３１１が揺動することで、感光ドラム２０４の回転軸線と平行な方向にレーザー光Ｌが移動する。

ＢＤセンサ２０５は感光ドラム２０４の回転軸方向の両端に設けられており、レーザー光Ｌが入射したときに制御装置２０６へ検出信号を送出する。制御装置２０６は、ＢＤセンサ２０５の検出信号に基づいて、素子駆動部２０７を駆動するための制御信号を出力する。素子駆動部２０７は、制御信号にしたがって振動素子３０を駆動する。とりわけ、制御装置２０６は、振動素子３０の揺動体３２の揺動による光反射面３１１の振れ角αが感光ドラム２０４の表面の所定範囲内に収まるように、一対のＢＤセンサ２０５からの検出信号に基づいて素子駆動部２０７の出力電流をフィードバック制御する。

画像信号に応じてレーザー光源２０１から出射するパルス状のレーザー光Ｌは、コリメータ光学系２０２を通って振動素子３０の揺動体３２の光反射面３１１に入射する。この光反射面３１１にて反射したレーザー光は、ｆθレンズ２０３を介して感光ドラム２０４の表面に照射される。振動素子３０の揺動体３２の光反射面３１１が揺動軸線、すなわちトーションバー３１の長手方向軸線Ｏ−Ｏ、の回りに揺動（振動）する。これにより、レーザー光Ｌが感光ドラム２０４の回転軸線と平行な方向に走査される。さらに、感光ドラム２０４も回転することで、画像情報、すなわち、静電潜像が感光ドラム２０４の表面に形成されることになる。

本実施例の画像形成装置２００は上述した振動素子３０を採用している。つまり、振動素子３０は、トーションバー３１に平面形状部５１、５２、５３、６１を形成し、そこに揺動体３２を接合することで、作成されているため、長期にわたって共振周波数のシフトが小さく、かつ、安定して動作する。よって、画像形成装置２００が形成する画像の品質も長期にわたって安定することになる。

〔画像投影装置〕
実施例にかかる振動素子３０を、オーバーヘッドプロジェクターなどの画像投影装置３００に適用した実施例について図１４を用いて説明する。本実施例においては、画像形成装置２００に適用した実施例と同一の機能を有する構成要素については同一符号を記すに止め、重複する説明を省略する。

画像投影装置３００は、光源３０１、光走査装置２２０、光源３０１からの光を所定方向に変更させる光偏向装置３０２およびこの光偏向装置３０２により偏向した光が照射されるスクリーン３０４を備えている。光走査装置２２０は、スクリーン３０４に対して水平方向に光を走査し、光偏向装置３０２は、スクリーン３０４に対して垂直方向に光を走査する。このようにして、２次元走査が実現される。この光偏向装置３０２による光の偏向速度は、振動素子３０の揺動体３２の振動周期よりも相対的に遅くすることができる。よって、光偏向装置３０２は、制御装置２０６によって制御されるガルバノミラーで実現できる。

ＲＧＢ三原色を含む光源３０１から出射する光は、振動素子３０および光偏向装置３０２により２次元走査され、スクリーン３０４に画像として投射される。振動素子３０の主要部を構成する揺動体３２の光反射面３１１の振れ角αは、制御装置２０６から出力される制御信号に基づいて素子駆動部２０７により調整される。また、光偏向装置３０２も同様に、制御装置２０６からの出力に基づき、揺動体３２の理想揺動軸線に対して直行する軸線回りの振れ角が制御される。制御装置２０６には、スクリーン３０４に投影される画像情報が入力部３０３から伝達され、光源３０１からスクリーン３０４に至る光路の距離に関する情報が測距部３０５から入力される。制御装置２０６は、これら入力部３０３および測距部３０５からの情報に応じた投影画角や拡大率などの設定、像の大きさやその縦横比に基づき、振動素子３０および光偏向装置３０２の走査角をそれぞれ変更する。なお、画像の拡大率は、走査角を変更せずとも光源３０１に対する通電のオン／オフ制御によっても可能である。しかしながら、走査角を変更することによって光源３０１のオフ時間を減らすことで、高輝度の画像をスクリーン３０４に投影することができる。

本実施例の画像投影装置３００も、加工硬化および時効硬化型のＣｏ−Ｎｉ基合金からなるトーションバー（不図示）に揺動体を固定しているため、小型化に加えてジッターなどの不安定性を低減でき、走査角を変更した場合でも安定した動作が可能である。また、振動減衰率の歪み振幅依存性が小さいため、走査角を大きくした場合の急激な消費電力の増加も起こらない。さらに、光の有効利用によって光源３０１の駆動電力を低減することができる。これらのことから、小型化と併せて、素子駆動部２０７や電源の容量を低減させることが可能となり、小型で投影画角の大きな高性能の画像投影装置３００を実現することができる。

とりわけ、本実施例の画像投影装置３００は上述した振動素子３０を採用している。つまり、振動素子３０は、トーションバー３１に平面形状部５１、５２、５３、６１を形成し、そこに揺動体３２を接合することで、作成されているため、長期にわたって共振周波数のシフトが小さく、かつ、安定して動作する。よって、画像投影装置３００が投影する画像の品質も長期にわたって安定することになる。

〔振動素子のその他の応用例〕
振動素子３０は、たとえば、電位センサなどに適用することも可能である。上述した電子写真方式の画像形成装置２００において、安定した品質の画像を得るためには、感光ドラム２０４の像担持面を均一の電位となるように帯電させる必要がある。このため、電位センサを用いて感光ドラムの帯電電位を測定し、その結果を利用して感光ドラム２０４の電位を均一に保持するように帯電部に印加する電圧のフィードバック制御が実行される。電位センサは、揺動体３２の平面形状部６１に一対の検知電極を配置して構成される。これら一対の検知電極と、一対の検知電極と対向状態で配置される電位測定対象面（感光ドラム２０４の像担持面）との間の距離が、揺動体３２の振動により変化する。そして、検知電極と感光ドラム２０４との間の静電容量を変えることで、検知電極に信号が現れる。この電位センサでは、トーションバー３１の振れ剛性や揺動体３２の形態などを適切に設計することで、揺動体３２を大きな周波数にて容易に揺動させることができる。しかも、揺動体３２を小型化しても複数対の検知電極を揺動体３２の平面形状部６１に設けて各検知電極からの信号を適切に処理することが容易である。このため、装置を小型化しても感光ドラムの表面の電位を高い信頼性を持って高感度且つ高い測定精度にて測定することができる。

このように、本実施例は、たとえば、トーションバーの一部に揺動体を支持する平面形状部が設けられ、前記トーションバーのうち前記平面形状部のヤング率は、それ以外の部分のヤング率と同等またはそれより大きいことを特徴とする振動素子を提供する。

また、本実施例は、トーションバーと、トーションバーの一部に平面形状部を設け取り付けられた揺動体と、揺動体またはトーションバーに取り付けられた第１磁界発生手段と、第１磁界発生手段が発生する磁界に対応した磁界を発生し、トーションバーを変形させて揺動体を回動させる第２磁界発生手段とを有し、トーションバーのうち平面形状部とは異なる部分のヤング率と平面形状部のヤング率は同等または平面形状部の方が大きいことを特徴とする振動素子を提供する。

なお、本実施例は、下記に示す振動素子の製造方法にも適用できる。

たとえば、本実施例は、線材の一部を加工して平面形状部を形成する形成工程と、平面形状部に揺動体を接合する接合工程とを有することを特徴とする振動素子の製造方法を提供する。

また、形成工程は、線材の長さ方向に対して直交した２つの方向から線材の一部に、プレス加工、引張り加工、または、しごき加工を施すことで、平面形状部を形成する工程を含むようにしてもよい。

さらに、形成工程は、線材に複数の平面形状部を形成する工程と、複数の平面形状部のうち少なくとも１つの平面形状部の中央を、線材の長さ方向に直交した方向に切断する工程とを含むようにしてもよい。

また、形成工程は、線材の先端部または線材の中間部に平面形状部を形成する工程を含むようにしてもよい。

さらに、形成工程は、線材の少なくとも一部に時効硬化処理温度以上での熱処理を施した後、当該熱処理した部分に平面形状部を形成してもよい。

また、形成工程は、平面形状部を左右対称な形状に形成する工程を含むようにしてもよい。

さらに、形成工程の後で、かつ、接合工程の前に、線材の平面形状部とその周囲に時効硬化処理を施す工程をさらに有してもよい。

また、形成工程は、線材の一部を櫂型の形状に加工することで、平面形状部を形成する工程を含むようにしてもよい。

さらに、形成工程は、線材の一部をループ形状に加工することで、平面形状部を形成する工程を含むようにしてもよい。

また、形成工程は、線材の一部をＬ型に加工することで、平面形状部を形成する工程を含むようにしてもよい。

さらに、形成工程は、Ｌ型に加工された線材の一部の反対側に錘を配置する工程をさらに有してもよい。

Claims (7)

1. トーションバーの一部に揺動体を支持する平面形状部が設けられ、前記トーションバーのうち前記平面形状部のヤング率は、それ以外の部分のヤング率と同等またはそれより大きいことを特徴とする振動素子。
2. トーションバーと、
   前記トーションバーの一部に平面形状部を設け取り付けられた揺動体と、
   前記揺動体またはトーションバーに取り付けられた第１磁界発生手段と、
   前記第１磁界発生手段が発生する磁界に対応した磁界を発生し、前記トーションバーを変形させて前記揺動体を回動させる第２磁界発生手段とを有し、
   前記トーションバーのうち前記平面形状部とは異なる部分のヤング率と前記平面形状部のヤング率とは同等または前記平面形状部のヤング率の方が大きいことを特徴とする振動素子。
3. 前記トーションバーは、時効硬化型の合金材料により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の振動素子。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動素子を備えたことを特徴とする光走査装置。
5. トーションバーと、
   前記トーションバーの一部に平面形状部を設け取り付けられた揺動体と、
   前記揺動体に設けられた光反射面と、
   前記光反射面に光を照射する光源と、
   前記揺動体またはトーションバーに取り付けられた第１磁界発生手段と、
   前記第１磁界発生手段が発生する磁界に対応した磁界を発生し、前記トーションバーを変形させて前記揺動体を回動させることで、前記光を前記光反射面によって走査させる第２磁界発生手段とを有し、
   前記トーションバーは、線材の一部に形成された平面形状部を有し、前記揺動体は、当該平面形状部に接合され、
   前記トーションバーの前記平面形状部のヤング率は、前記トーションバーにおけるそれ以外の部分のヤング率と同等またはそれより大きいことを特徴とする光走査装置。
6. 請求項４または５に記載の光走査装置を備え、当該光走査装置によって走査された光によってスクリーンに画像を投影することを特徴とする画像投影装置。
7. 請求項４または５に記載の光走査装置と、像担持体とを備え、当該光走査装置によって走査された光によって当該像担持体に画像を形成することを特徴とする画像形成装置。

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