JP2014016387A - 振動装置、光走査装置、映像投影装置および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静止状態から駆動開始後、数分間に発生する振動子の共振周波数変化を低減する。
【解決手段】振動体１２、１３を振動させる駆動部２０は熱を発生する。ねじり梁１１の近傍に熱緩和部材４１を配置させることにより、熱がねじり梁１１に伝達しにくくする。ねじり梁１１近傍の温度上昇が抑制されるため、振動体１２、１３が静止状態から振動状態に移行する際に起こる共振周波数シフトが低減し、振動の安定化が達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動装置、光走査装置、映像投影装置および画像形成装置に関する。

共振現象により振動する振動素子を備えた光走査装置は、少ない電力で大きな振幅の光走査を行えるといった利点を有している。特許文献１によれば、レーザー光線を反射させる磁石付きミラーと、磁石付きミラーを振動させるために交番磁界を発生するコイルとを備えた光走査装置が提案されている。これにより、大きな振動周波数が得られ、小型軽量でかつ低価格な光走査装置を提供されるという。

特開平９−１９７３３３号公報

一般に、光走査装置は、振動素子の駆動を開始してから駆動を停止するまでの間、一定の周波数で振動素子を振動させなければならない。しかし、光走査装置が設置された環境や駆動部からの発熱などの要因により、一定の周波数で振動素子が振動しなくなってしまう。これは、振動素子の温度が変化すると、振動素子の共振周波数も変化してしまうからである。

特許文献１では、コイルに交番電流を流すと、コイルの周りには交番電流に対応した交番磁界が発生し、この交番磁界が駆動用磁石にトルクを発生させ、駆動用磁石およびこれに接着固定されたミラーが共振振動する。よって、コイルに電流を通電した際に熱が発生してしまう。とりわけ、コイルと弾性線状部材が近接しているため、コイルから発生する熱の影響を受けやすい。その結果、弾性線状部材のバネ定数が変化してしまい、共振周波数も変動してしまう。

そこで、本願発明は、外部環境の影響を小さくして安定的なねじり駆動を実現することを目的とする。

本発明は、たとえば、
ねじり梁と、
前記ねじり梁の一部に取り付けられた振動体と、
前記振動体が振動するように当該振動体を駆動する駆動部と、
前記駆動部が発生する熱が当該ねじり梁の軸の外周に伝達することを緩和する熱緩和部材と
を備えたことを特徴とする振動装置が提供される。

本発明では、振動体を駆動する駆動部が発生する熱がねじり梁の軸の外周に伝達することを緩和するための熱緩和部材を設けることで、ねじり梁近傍の温度上昇を抑制することができる。これにより、振動体が静止した状態から振動した状態に移行する際に起こる共振周波数シフトが低減され、振動の安定化が達成される。

本実施形態にかかる振動装置の一例を示す斜視図 本実施形態にかかる振動装置の一例を示す概略図 実施形態にかかる振動部を示す概略図 比較例にかかる振動装置の一例を示す概略図 （Ａ）は駆動開始直後における周波数の変動量を示す図、（Ｂ）は雰囲気温度と周波数との関係を示す図 駆動部から発生する熱によるねじり梁近傍の温度変化を示す図 画像形成装置の概略図 映像投影装置の概略図 本実施形態にかかる振動装置の一例を示す概略図

＜振動装置の構成＞
図１は、実施形態にかかる振動装置を示す斜視図である。振動装置１は、振動部１０とそれを駆動する駆動部２０を備えている。振動部１０の振動体１２と磁石３１は、ねじり梁１１によって片持ち支持されている。振動体１２は非磁性の部材により構成されている。磁石３１が発生する磁界の方向は、振動部１０が静止しているときに駆動部２０が発生する交番磁界の方向と概ね直交している。駆動部２０のコイル２５（図４（Ｂ））に振動部１０の固有振動数と同じ周波数の電流が流れると、振動部１０の振動体１２は共振現象によって振動する。

駆動部２０のコイル２５（図４（Ｂ））に電流が流れると熱が発生する。この熱がねじり梁１１の軸の外周に伝達すると、固有振動数（共振周波数）が変動してしまい、振動部１０が一定の周波数で振動しなくなってしまう。そこで、本実施形態では、ねじり梁１１の全体または一部は熱緩和部材４１により包囲されている。熱緩和部材４１は、駆動部２０が発生する熱がねじり梁の軸の外周に伝達することを緩和している。

図２は、図１と異なる実施形態にかかる振動装置を示す斜視図である。熱緩和部材４１は、ベース２から延びる２本の支持部材３に取り付けられている。熱緩和部材４１にはねじり梁１１の少なくとも一部が挿通される挿通孔２４が設けられている。ねじり梁１１の一端は挿通孔２４に挿通されて支持されている。ねじり梁１１の他端は振動体１２に取り付けられている。ねじり梁１１の外径と挿通孔２４との内径との差を必要最小限の差とすることで、駆動部２０が発生する熱の緩和効果を一層高めることができる。なお、挿通孔２４にベアリングを設け、このベアリングにねじり梁１１を挿通してもよい。これにより、駆動部２０が発生する熱の緩和効果をさらに高めつつ、ねじり梁１１を回転可能に支持できる。つまり、ねじり梁１１を振動がスムーズになり、耐久性も向上する。

図３は、振動部１０の構成部品を示す図である。ねじり梁１１は、金属合金などで構成されている。ねじり梁１１の他端は櫂状の平面部を有している。この平面部の表面には磁石３２、振動体１３が取り付けられる。平面部の裏面には磁石３１、振動体１２が取り付けられる。このように、振動体１２、１３はねじり梁１１の一部に取り付けられた揺動体として機能する。振動体１２、１３にはミラーが取り付けられるか、形成されてもよい。ここでは、磁石３１、３２は、ねじり梁１１に取り付けられているが、振動体１２、１３の上に取り付けられてもよい。

このように、本実施形態は、振動体１２、１３を振動させるために駆動部２０が発生する熱によるねじり梁１１近傍の温度変化を、熱緩和部材４１で抑制することが可能となる。そのため、あえて温度変化に鈍感な材質を選択する必要が小さくなり、ねじり梁１１の材質の選択範囲が広くなる。また、本実施形態では、熱緩和部材４１を振動装置１に追加するだけでよく、駆動部２０の構成変更は必要ない。そのため、振動装置１が大型化する懸念も小さい。

また、本実施形態では、熱緩和部材４１は、ねじり梁１１の全体を包囲する構成や、挿通孔２４を有しねじり梁１１の外径と挿通孔２４との内径との差を必要最小限の差とする構成としている。そのため、熱緩和部材４１は、ねじり梁１１の変位を規制する機能を兼ね備えており、複数方向からねじり梁１１を制振することで耐衝撃性にも優れる効果も期待できる。

このように、駆動部２０より発生する熱がねじり梁１１へ伝わる現象が抑制されるため、振動部１０の駆動を安定的に制御できるようになる。

なお、本実施形態では、振動体１２、１３は、ねじり梁１１によって片持ち支持されているが、図９（Ａ）〜図９（Ｃ）に示すように、２本のねじり梁１１ａ、１１ｂによって両持ち支持されてもよい。振動部１０の表面にはミラーが形成され、裏面には磁石が取り付けられている。また、この磁石と対向するように駆動部２０が配置されている。熱緩和部材４１ａ、４１ｂは、支持部材３ａ、３ｂに対して取り付けられている。熱緩和部材４１ａ、４１ｂは、駆動部２０から発生する熱が２本のねじり梁１１ａ、１１ｂへ伝達することを妨げている。なお、熱緩和部材４１ａ、４１ｂの少なくとも一方に代えて、図１に示したような熱緩和部材４１が採用されてもよい。つまり、ねじり梁１１ａ、１１ｂの一方または両方は、熱緩和部材４１によって軸の周囲を包囲されていてもよい。

＜比較例の構成＞
図４（Ａ）、図４（Ｂ）は、比較例としての振動装置１’の側面図である。なお、すでに説明した個所には同一の参照符号を付与している。比較例としての振動装置１’は、本実施形態の振動装置１から熱緩和部材４１を除外したものである。以下では、ねじり梁１１の近傍の温度変化と共振周波数の依存関係を明らかにし、熱緩和部材４１の必要性について証明する。

振動装置１’が静止している状態で、駆動部２０のコイル２５に電流を流すと、磁石３１、３２と駆動部２０との間に電磁力が発生し、振動部１０が振動を開始する。駆動部２０の駆動回路が電流の大きさを可変することにより振動部１０の振れ角を制御する。駆動回路が電流を一定に維持することにより振れ角も一定に維持される。

比較例について、振動部１０の固有振動モードの周波数ｆ０を２ｋＨｚとして実験した。図５（Ａ）が示すように、振動部１０が振動を開始してから最初の数分の間は、共振周波数が最大で０．５Ｈｚ前後にわたって変動することがわかった。このような現象が映像投影装置や画像形成装置に搭載された振動装置（光走査装置）に生じると、走査線にバラツキが生じる。その結果、スクリーンへ投影された映像が乱れたり、像担持体上の画像が乱れたりする。

比較例について、２５℃・４５℃・６０℃それぞれの温度雰囲気で実験を行い、共振周波数を検証した。図５（Ｂ）が示すように、共振周波数は、２５℃で２２２６Ｈｚ、４５℃で２２２１Ｈｚ、６０℃で２２１７Ｈｚであった。よって、比較例では−０．２６Ｈｚ／℃の関係があることが確認できた。また、２５℃の条件下で実験したところ、振動装置１’を静止状態から駆動を開始してから、共振周波数の変動が起こらなくなるまでで、−０．５２Ｈｚの周波数変動があることがわかった（図５（Ａ））。この結果から、比較例のねじり梁１１には２℃程度の温度上昇が起きていると推測できる（−０．５２／−０．２６＝２．００）。

振動装置１’が静止している状態から駆動部２０のコイル２５に電流を流し、振動部１０の振動を開始してから数分間におけるねじり梁１１の近傍の温度変化を測定した。図６はその測定結果を示している。ねじり梁１１の近傍の温度は２５℃から２７℃へ２℃上昇が見られた。併せて、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に示したように共振周波数の変動結果も−０．５２Ｈｚ（２℃程度の温度上昇）であることから、駆動部２０の発熱が共振周波数の変動に関与していることが説明できる。したがって、本実施形態のように熱緩和部材４１を設ければ、ねじり梁１１の近傍の温度上昇を抑制できるため、共振周波数の変動を抑制できるといえる。

＜熱緩和部材４１の効果＞
固有振動モードの周波数ｆ０は、ねじり梁１１の温度上昇に伴って減少する性質を有している。駆動開始時、ねじり梁１１の温度は雰囲気温度に等しくなっているが、駆動部２０の発熱によりねじり梁１１近傍の温度は上昇する。これにより、振動部１０の駆動周波数が目標の駆動周波数ｆｃから遠ざかるようになる。

図１および図２に示した本実施形態のそれぞれについて、比較例に適用した条件と同様の条件で実験を行った。つまり、温度雰囲気２５℃において停止状態から駆動経過数分までの間の本実施形態についての共振周波数の変化は、０．００Ｈｚであった。よって、本実施形態では、比較例に対して、大幅に変動を改善できていることが確認できた。温度雰囲気範囲に関しては、２５℃条件この限りではない。

＜振動部の材料＞
ねじり梁１１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）基合金を採用できる。ここで言うＣｏ−Ｎｉ基合金とは、ＣｏおよびＮｉを含有する合金である。この合金には、たとえば、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）などが含まれてもよい。より具体的な合金の例としては、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金やＣｏ−Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ合金などがあげられる。また、これらの合金は、ニオブ（Ｎｂ）、マンガン（Ｍｎ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、ボロン（Ｂ）およびマグネシウム（Ｍｇ）、炭素（Ｃ）などをさらに含むことができる。Ｎｂは溶質元素として上述したＭｏ、鉄同様の働きをする。Ｍｎは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機能を有する。Ｗは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。また、Ｔｉは鋳塊組織の微細化や強度向上に寄与する。ＢおよびＭｇは熱問加工性を改善する。Ｃはマトリクスに固溶してＣｒ、Ｍｏ、Ｎｂなどと炭化物を形成し、粒界を強化する機能を発揮する。先のＣｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金を用いた場合、その主要組成の重量比は、たとえば、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。特に、Ｃｏ：３１．０〜３７．３％、Ｎｉ：３１．４〜３３．４％、Ｃｒ：１９．５〜２０．５％、Ｍｏ：９．５〜１０．５％としてもよい。

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および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、冷問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、通常、圧延方向に集合組織が形成され、圧延方向と直交する方向に集合組織が形成されることとなる。このため、本実施形態のねじり梁１１として用いる場合には、プレス加工、レーザー加工、ワイヤーカット加工などによって圧延方向と直交する方向がねじり梁１１の長手方向となるように切り出す。あるいは、超塑性加工によって製品形状に加工し、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ねじり梁１１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持つねじり梁１１を得ることができる。このような非磁性で加工硬化および時効硬化型のＣｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金の一例として、セイコーインスツル株式会社のＳＰＲＯＮ５１０（商品名：ＳＰＲＯＮは登録商標）を挙げることができる。このＳＰＲＯＮ５１０は、Ｃｏ：３５％、Ｎｉ：３２％、Ｃｒ：２０％、Ｍｏ：１０％の組成を有する。

このようにして、共振周波数が尖鋭か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）かつばね特性の非線形性が非常に小さなねじり梁１１を得ることができる。このようなねじり梁１１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とはならず、消費電力が少ない振動装置１を実現することができる。

なお、本実施形態では非磁性を示すＣｏ−Ｎｉ基合金にてねじり梁１１を形成した。これは振動体１２、１３をねじり梁１１と共に揺動させる手段として、磁石３１、３２と交番磁界とを用いた場合に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した場合には、ねじり梁１１の材料として非磁性金属以外の一般的なばね用材料を用いることができる。より具体的には、ＳＵＳ３０１、３０２、３０４、３１６、６３１、６３２などのステンレス鋼、ばね鋼（ＳＵＰ）、ピアノ線（ＳＷＰ）、ばね用炭素鋼のオイルテンパー線（ＳＷＯ）採用することができる。この他、ばね用シリコンクロム鋼のオイルテンパー線（ＳＷＯＳＣ）、ばね用ベリリウム銅合金（Ｃ１７００、Ｃ１７２０）、ばね用チタン銅合金（Ｃ１９９０）、ばね用リン青銅（Ｃ５２１０）、ばね用洋白（Ｃ７７０１）などを採用することも可能である。

また、振動体１２、１３と共にねじり梁１１に取り付けられる磁石３１、３２は、できるだけ小型軽量であって高い保磁力を有することが好ましい。たとえば、Ｎｄ−Ｆｅ−Ｂ系やＳｍ−Ｃｏ系の希土類磁石などが磁石３１、３２として好適である。また、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、ハードフェライト（ＢａフェライトやＳｒフェライト）などの焼結磁石を採用してもよい。この他、ボンド磁石やスパッター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。

振動体１２、１３の材料としては、アルミナ、ジルコニア、ベリリウム、チッ化ケイ素、チッ化アルミニウム、サファイヤ、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できる。また、これらの表面を鏡面化することによって光反射面（ミラー面）として利用できる。

＜画像形成装置＞
図７は、本実施形態の振動装置１により構成された光走査装置３０を備えた画像形成装置２００の概略図である。画像形成装置２００は、光走査装置３０によって走査された光によって像担持体である感光体２０４上に画像を形成する。光走査装置３０は、上述した振動装置１を応用したものであって、振動体１２、１３の少なくとも一方にミラー面が形成されている。画像形成装置２００は、いわゆるレーザービームプリンター（ＬＢＰ）である。なお、画像形成装置２００は、プリンタ、複写機、複合機、ファクシミリ装置などであってもよい。

レーザーなどの光源２０１ミラー面に光を照射する。具体的に、光源２０１が射出した光は射出光学系２０２を通り光走査装置３０のミラー面で反射され、結像光学系２０３を通過して、像担持体である感光体２０４上を露光する。ミラー面が揺動することで、光の反射方向が連続的に変化する。これにより、光の走査が実現される。感光体２０４の両端には、ビーム検知センサ２０５が設けられている。ビーム検知センサ２０５が光を検知すると検知信号を制御回路２０６に出力する。制御回路２０６は、ビーム検知センサ２０５からの検知信号に応じた制御信号を光走査装置３０の駆動回路２０７にフィードバックする。つまり、１つ目のビーム検知センサ２０５が検知信号を出力したタイミングから２つ目のビーム検知センサ２０５が検知信号を出力したタイミングまでの時間が一定となるように、駆動回路２０７は、コイル２５に通電する電流の周波数を調整する。これにより、光走査装置３０の走査周期（駆動周波数）が所望の目標値に維持されるようになる。

本実施形態の画像形成装置２００は、上述した振動装置１を応用した光走査装置３０を有している。そのため、温度変動に対しても走査線のずれを抑制でき、画像の品質を維持できるようになる。また、振動装置１が製造コストやスペース効率に関して従来よりも有利であるため、光走査装置３０や画像形成装置２００も製造コストやスペース効率に関して従来よりも有利である。また、振動装置１の小型化によって、光走査装置３０や画像形成装置２００も小型化しやすくなる。

＜映像投影装置＞
図８は、本実施形態の振動装置１により構成された光走査装置３０を備えた映像投影装置３００の概略図である。映像投影装置３００は、光走査装置３０によって走査された光によってスクリーン３０３に映像を投影する。

光源３０１は、３原色（ＲＧＢ）の光をミラー面にそれぞれ照射する。光走査装置３０によって水平方向に走査（偏向）された光は、さらに、垂直走査装置３０２によって垂直方向に走査され、スクリーン３０３に映像として投影される。垂直走査装置３０２の走査速度は光走査装置３０の走査速度よりも遅い。垂直走査装置３０２には、たとえば、非共振駆動で高精度な位置決めができるガルバノミラーが用いられてもよい。

光走査装置３０の走査角は、制御回路３０４から出力される制御信号に基づいて駆動回路３０５が制御する。また、垂直走査装置３０２の走査角も同様に、制御回路３０４から出力された制御信号に基づいて制御される。制御回路３０４は、入力回路３０６からは、投射画角や投射サイズが設定される。距離測定装置３０７は、映像投影装置３００からスクリーン３０３までの距離を測定する。制御回路３０４は、これらの情報に基づいて映像のサイズや縦横比を決定し、決定した映像のサイズや縦横比が実現されるように、光走査装置３０と垂直走査装置３０２の走査角を制御する。映像の投射サイズは、走査角を変更しなくても、光源３０１のＯＮ／ＯＦＦ制御で可能である。しかし、走査角を変更することにより光源３０１のＯＦＦ時間を減らすことできるため、光を有効に利用することができる。

本実施形態の映像投影装置３００は、上述した振動装置１を応用した光走査装置３０を有している。そのため、温度変動に対しても走査線のずれを抑制でき、投影画像の品質を維持できるようになる。また、振動装置１が製造コストやスペース効率に関して従来よりも有利であるため、映像投影装置３００も製造コストやスペース効率に関して従来よりも有利である。また、振動装置１の小型化によって、映像投影装置３００も小型化しやすくなる。

Claims (8)

1. ねじり梁と、
   前記ねじり梁の一部に取り付けられた振動体と、
   前記振動体が振動するように当該振動体を駆動する駆動部と、
   前記駆動部から発生する熱が当該ねじり梁の軸の外周に伝達することを緩和する熱緩和部材と
   を備えたことを特徴とする振動装置。
2. 前記ねじり梁の全体または一部は、前記熱緩和部材によって包囲されていることを特徴とする請求項１に記載の振動装置。
3. 前記熱緩和部材は、前記ねじり梁の少なくとも一部が挿通される挿通孔を備え、
   前記ねじり梁の一端は前記挿通孔に挿通されて支持されており、前記ねじり梁の他端は前記振動体に取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の振動装置。
4. 前記振動体は、前記ねじり梁によって片持ち支持されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動装置。
5. 前記振動体は、複数の前記ねじり梁によって両持ち支持されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動装置。
6. ねじり梁と、
   前記ねじり梁の一部に取り付けられた振動体と、
   前記振動体に設けられたミラー面と、
   前記ミラー面に光を照射する光源と、
   前記振動体が振動するように当該振動体を駆動することで、前記光を前記ミラー面によって走査させる駆動部と、
   前記駆動部から発生する熱が当該ねじり梁の軸の外周に伝達することを緩和する熱緩和部材と
   を備えたことを特徴とする光走査装置。
7. 請求項６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映像を投影することを特徴とする映像投影装置。
8. 請求項６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。

Images