JP2015175984A - アクチュエータ、光偏向器、光走査装置、画像形成装置及び画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロマシン技術を用いた回転振動構成のアクチュエータにおいて、使用条件や環境の変化による不要な振動を高精度に抑制できるようにする。【解決手段】アクチュエータ２は、可動部４と、複数の折り返し部を有する蛇行形状を有し、可動部４を回転振動可能に支持する蛇行状梁部６と、蛇行状梁部６を支持する枠部材８と、蛇行状梁部６に配置された図示しない層状ないし膜状の圧電体と、該圧電体に駆動電圧を印加するための図示しない電極とを備えている。圧電体に駆動電圧を印加して生じる圧電体の伸縮によって、蛇行状梁部６に反りを発生させ、各梁部１２での反り変形を累積させて、可動部４を回転振動させる。複数の梁部１２のうち一部について横方向の幅を変えている。ａ、ｂ、ｃの大きさは、ｂ＜ａ＜ｃの関係にある。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロマシン技術を用いたアクチュエータ、該アクチュエータを利用した光偏向器、該光偏向器を備えた光走査装置、該光走査装置を備えた複写機、プリンタ、ファクシミリ、プロッタ、あるいはこられのうち少なくとも１つを備えた複合機等の画像形成装置、及び前記光走査装置を備えた画像投影装置に関する。

マイクロマシン技術を用いたアクチュエータは、従来のアクチュエータに比べ、省電力化、小型化や高速化の可能性が高い。
また、駆動部分の形成もシリコンウエハーを素材として、半導体微細加工技術を用いて安価で大量に形成できる可能性があるため実用化が期待されている。
この種のアクチュエータの構成は、例えば図１７（ａ）に示すように、可動部１００と、可動部１００を回転振動可能に支持するトーション梁１０２と、トーション梁１０２を支持する枠部材１０４とで構成されたものが知られている。
種々の駆動方式でトーション梁１０２に捩りを発生させることにより、図１７（ｂ）、（ｃ）に示すように、可動部１００を回転振動させることができる。
このような構成では、共振を利用することで、小さなエネルギーで、高速、大振幅の回転振動が得られることが知られている。

低速で駆動したいシステムに用いる場合などは、小型の支持部ではバネ剛性が高いために、共振周波数が小さくならない。
そこで、共振を利用せずに、可動部により大きな捩り力を発生させて、所望の周波数で振動させることが考えられる。
しかし、大きな力を発生させるためには、一般的に、駆動手段も大型化、高コスト化となり、供給するエネルギーも大きくしなくてはならない。

これを解決する手段として、可動部を保持するバネ系のバネ剛性を小さくし、共振周波数下げることも考えられる。
バネ剛性を下げるためには、トーション梁を長くし、あるいは細くする必要がある。しかし、長くした場合は大きなスペースを必要とし、細くした場合は寸法のバラツキの影響が大きくなる不具合がある。
この問題を解消すべく、図１８、図１９に示すように、可動部１００を支持する梁部１０６を折り曲げるようにして、すなわち蛇行形状として、限られたスペースの中でバネ剛性を下げる構成が提案されている。

可動部の回転振動を得る駆動方式としては、電磁方式、静電方式などが知られている。
図２０に示すように、梁部１０６に圧電膜１０８を配置し、圧電膜の伸縮によって梁部１０６に直接反りを発生させ、それぞれの梁での反り変形を累積させて、可動部１００を回転振動させる圧電方式も知られている（特許文献１〜３）。
圧電方式は、製造が容易で、駆動力を発生させるためのスペースをほとんど必要としない利点がある。

しかしながら、蛇行させて支持部のバネ剛性を下げるようにした場合、アクチュエータを構成するバネーマス系によって定まる共振周波数が使用環境で生じる振動と同じになったり、近い値になったりしたときは、共振が発生して不要な振動が生じてしまうという問題があった。

本発明は、このような現状に鑑みて創案されたもので、マイクロマシン技術を用いたアクチュエータにおいて、使用条件や環境の変化による不要な振動を高精度に抑制できるアクチュエータの提供を、その主な目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のアクチュエータは、可動部と、複数の折り返し部を有する蛇行形状を有し、前記可動部を回転振動可能に支持する蛇行状梁部と、前記蛇行状梁部を支持する枠部材と、前記蛇行状梁部に配置された圧電体と、前記圧電体に駆動電圧を印加するための電極と、を備え、前記圧電体に駆動電圧を印加して生じる前記圧電体の伸縮によって前記蛇行状梁部に反りを発生させ、各梁部での反り変形を累積させて前記可動部を回転振動させるものであり、前記蛇行状梁部における各梁部の前記可動部の回転軸心と直交する横方向の幅が、少なくとも一つの梁部で他の梁部と異なっている。

本発明によれば、マイクロマシン技術を用いたアクチュエータにおいて、使用条件や環境の変化による不要な振動を高精度に抑制できる。

本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの概要平面図である。 第２の実施形態に係るアクチュエータの概要平面図である。 各梁部の横幅が一定の蛇行状梁部を単板に置き換えた場合の模式図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 一部で梁部の横幅が異なる蛇行状梁部を単板に置き換えた場合の模式図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 駆動用圧電体と検出用圧電体の配置構成を示す図で、（ａ）は概要全体平面図、（ｂ）はその部分拡大図である。 蛇行状梁部における圧電体への通電構成を示す概要平面図である。 第３の実施形態に係るアクチュエータの概要平面図である。 図７のアクチュエータの部分拡大図である。 図７のアクチュエータにおける蛇行状梁部を単板に置き換えた場合の模式図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 駆動用圧電体と検出用圧電体の配置構成を示す図である。 第４の実施形態に係る光偏向器の概要平面図である。 図１１の光偏向器を用いた光走査装置及び該光走査装置を有する画像形成装置を示す概要構成図である。 第５の実施形態に係る２次元走査が可能な光偏向器の概要平面図である。 ２次元走査が可能な光偏向器の変形例の概要平面図である。 画像投影装置の概要構成図である。 画像投影装置の他例の概要構成図である。 従来のトーション梁方式のアクチュエータの構成を示す斜視図である。 従来の蛇行状梁部方式のアクチュエータの構成を示す斜視図である。 従来の蛇行状梁部方式のアクチュエータの他例の構成を示す概要平面図である。 図１９で示したアクチュエータにおける駆動用圧電体の配置構成を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は駆動用圧電体の伸縮による梁部の反り動作を示す側面図である。 従来の蛇行状梁部方式のアクチュエータにおける蛇行状梁部の形状を示す概要平面図である。

以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。
本発明者の考察によると、上記従来技術において、共振が発生する理由は、図２１に示すように、蛇行する梁部１０６の回転軸心１１０に平行な方向（横方向）の幅ａが全て一定であるからであると考えられる。
本発明はこの点に着目してなされたものである。

図１に基づいて、本発明の第１の実施形態を説明する。
本実施形態に係るアクチュエータ２は、可動部４と、複数の折り返し部を有する蛇行形状を有し、可動部４を回転振動可能に支持する蛇行状梁部６と、蛇行状梁部６を支持する枠部材８と、蛇行状梁部６に配置された図示しない層状ないし膜状の圧電体と、該圧電体に駆動電圧を印加するための図示しない電極とを備えている。
圧電体の具体的な配置は、図５と同じである。
「回転振動」とは、回転軸心回りに一方と他方に交互に回転変位して一定の振幅で振動することをいう。

本実施形態では、蛇行状梁部６は、可動部４の回転軸心１０に直交する方向（縦方向）に延びる細長い板形状の６本の梁部１２から構成されている。
上記圧電体は各梁部１２にその長手方向（縦方向）に沿って配置されている。
上記圧電体に駆動電圧を印加して生じる圧電体の伸縮によって、蛇行状梁部６に反りを発生させ、各梁部１２での反り変形を累積させて、可動部４を回転振動させるものである。

上記構成において、本実施形態では複数の梁部１２のうち一部について横方向の幅（以下、「横幅」という）を変えている。
すなわち、各梁部１２の横幅の寸法は、図中左側から右側に向かって順に、ｂ、ｂ、ａ、ａ、ｃ、ｃとなっている。ａ、ｂ、ｃの大きさは、ｂ＜ａ＜ｃの関係にある。
このように、一部の梁部の横幅だけを変え、ターン数（折り返し数）、梁部の縦方向の長さ、厚み、梁部同士の間隔ｔを同じとし、梁部の横幅の寸法の合計が同じであれば、蛇行する梁部と可動部の大きさは同じになる。
部分的に梁部の横幅を変えることで、アクチュエータ２の可動部４と、蛇行状梁部６のスペースの大きさとを変えずに、共振周波数特性を変えることができる。

したがって、使用環境や駆動条件によって、アクチュエータの望ましい共振周波数や、避けたい共振周波数の帯域がある場合、アクチュエータの大きさを変えずに梁部１２の横幅を調整するだけで、共振周波数の調整を行うことができる。
梁部の横幅を部分的に変えることで、駆動感度（単位エネルギー当たりの振幅角）が変化するので、共振周波数を所望の値になるように設定できるだけでなく、駆動感度が改善するように寸法を設定することもできる。

図２乃至図６に基づいて第２の実施形態を説明する。
なお、上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、特に必要がない限り既にした構成上及び機能上の説明は省略して要部のみ説明する（以下の他の実施形態において同じ）。
本実施形態では、図２に示すように、蛇行状梁部６における各梁部１２の横幅は、可動部４に近い方が遠い方よりも狭いものとなっている。
換言すれば、可動部４に近い内側ほど梁部１２の横幅を狭くし、外側ほど梁部１２の横幅を広くしている。
すなわち、各梁部１２の横幅の寸法は、図中左側から右側に向かって順に、ｃ、ｃ、ａ、ａ、ｂ、ｂとなっている。ａ、ｂ、ｃの大きさは、ｂ＜ａ＜ｃの関係にある。

折り返し部が無いとして考えた場合に、梁部の横幅が変わらない構成は、図３に示すような片持ち梁１２ａの形状に置き換えることができる。
根元側（枠部材側）の横幅を広くし、先端側（可動部側）の横幅を狭くする構成は、図４に示すような片持ち梁１２ｂの形状に置き換えることができる。
図３、４に示ように、梁部の先端に同じ荷重Ｆがかかる場合、図４に示す形状とすると、図３に示す形状に比べて変形量が小さくなる。
これは蛇行状梁部でも同じことで、可動部に近い側の幅を小さくすることによって、可動部の重さなどによる変形が小さくなるので、姿勢差の影響などを受けにくくなる。
特に可搬性があり、置き方が特定されぬ条件で、振動源に近い場所で使用される可能性のある機器に組み込む場合に、振動の振幅を安定させることができる。

図５に示すように、駆動用圧電体１４と、検出用圧電体１６を、各梁部１２においてそれぞれ並行に配置している。
駆動用圧電体を「駆動用圧電パターン」、検出用圧電体を「検出用圧電パターン」ともいう。
検出用圧電体１６は、圧電効果によって梁部の反りに応じた電荷を発生させるので、電荷を検出することで、梁部での反りの大きさが分かる。検出した反り量から可動部の振幅角度を算出することができる。

駆動用圧電体１４は、シリコン部（梁部）のエッジいっぱいまで配置することができず、シリコン部のエッジから一定量オフセットした範囲内にしか配置できない。
一定のオフセット量は梁部の検出用圧電パターンでも同様であるが、横幅が異なると正しく検出できなくなってしまうので、同じ横幅の梁部であるならば、同じ横幅の検出パターンを設ける方が、検出誤差が小さくなる。
このため、可動部に近い横幅がｂの梁部では、横幅がａやｃの梁部よりも検出用圧電体１６の横幅を狭くしている。

奇数番目の梁部と偶数番目の梁部の駆動用圧電体には異なる駆動信号が入力される。
そのため、図６に示すように、駆動用圧電体１４、検出用圧電体１６のそれぞれの奇数番目同士、偶数番目同士をつなぐ導電線パターン１８を設け、それぞれのパターンを一つおきに繋いでいる。
導電線パターン１８は、加工や、信頼性の観点から必要な幅が決まってくる。導電線パターン１８は、検出用圧電パターンの上に、絶縁膜を介して配置される。

このため、検出用圧電パターンの幅は、導電線パターンよりも大きくしなければならない。
しかし、可動部に一番近い梁部では、検出用圧電パターンを次ぎのパターンと接続する必要がないため、導電線パターンを乗せる必要がない。
そこで、検出用圧電体の横幅を狭くすることで、駆動感度を落とさずに幅を狭めることができる。
縮められる寸法は僅かであっても、一枚のウエハから大量のデバイスを取るので、取り数が増える可能性がある。

図６において、符号２０は駆動用の上部電極、２２は駆動用の下部電極、２４は可動部や蛇行状梁部等を形成するシリコンを、２６は検出用の上部電極、２８は検出用の下部電極、３０はスルーホールをそれぞれ示している。

図７乃至図１０に基づいて第３の実施形態を説明する。
本実施形態では、梁部の横幅が、１つの梁部で縦方向において変化し、１つの梁部における両辺が縦方向において平行ではない形状を有している。
図７の部分拡大図である図８に示すように、最も左側の梁部１２を例にとると、下側の横幅ｗ１と上側の横幅ｗ２とは同じではなく、ｗ１＞ｗ２となっている。
すなわち、梁部１２は折り返し部分の間の形状が略台形形状となっている。また、梁部１２の横幅は可動部４に近づくにつれ狭くなっている。

詳細に説明すると、折り返し部で段階的に寸法を変えて、可動部側の横幅をより狭くした形状に加え、１つの梁部で、縦方向において横幅を連続的に変えていく構成である。
このような構成にすることによって、横方向に断続的に梁部の幅が変化していたものを連続的に変化させることができる。
上記台形状の蛇行状梁部を一直線の梁に置き換えた場合、図９に示すような片持ち梁１２ｃの形状となる。

本実施形態では、回転軸心１０に対し垂直な方向（縦方向）での梁部の変化によって可動部を変動させる構成である。
そのため、角度検出部としては、梁部に対して垂直で同じ幅であることが望ましい。そこで、図１０に示すように、梁部を、回転軸心１０に直交する方向の両辺のうち、一方が回転軸心１０に対して垂直、もう一方が傾いた形状に形成する。
そして、回転軸心１０に対し垂直な一辺１２ｄの側（直交する辺側）に検出用圧電体を設け、検出用圧電体の幅が一定となるようにする。
検出用圧電パターンの幅が一定なので、各梁部での変形量が正しく検出されやすい。また、回転軸心１０に対し垂直（直角）が保たれているので、変形の所望の成分を検出することができる。

図１１及び図１２に基づいて第４の実施形態（光偏向器、光走査装置及び画像形成装置）を説明する。
図１１に示すように、本実施形態に係る光偏向器としての振動ミラー９２１は、上述したアクチュエータを利用して構成されている。
すなわち、可動部２に光線を偏向する反射面としてのミラー面３２を形成し、ミラー面３２に入射した光の反射方向を変えられるようにしている。
上記のように、蛇行状梁部における梁部の横幅や形状を調整することで、限られたスペースの中で、使用条件に合う特性の光偏向器を構成することができる。
図１２は、光線を偏向走査する振動ミラー９２１を備えた光走査装置９０１と、該光走査装置９０１を有する画像形成装置を示している。

像担持体としての感光体ドラム９０２は、矢印９０３方向に回転駆動され、帯電部９０４で表面が一様に帯電される。
帯電された感光体ドラム９０２の表面に光走査装置９０１により画像情報に基づいて静電潜像が形成される。
静電潜像は、該静電潜像を可視像化する現像手段としての現像部９０５でトナー像に顕像化され、トナー像は転写部９０６で記録媒体としての記録紙９０８に転写される。転写されたトナー像は定着部９０７によって記録紙９０８に定着される。
感光体ドラム９０２の転写部９０６を通過した表面部分は、クリーニング部９０９で残留トナーを除去される。感光体ドラム９０２に代えてベルト状の感光体を用いる構成としてもよい。
また、トナー像を転写媒体に一旦転写し、この転写媒体からトナー像を記録紙に転写して定着させる中間転写方式としてもよい。

光走査装置９０１は、レーザビームで感光体ドラム９０２の表面（被走査面）を同ドラムの軸方向（主走査方向）に走査するものである。
光走査装置９０１は、記録信号によって変調された１本又は複数本のレーザビームを発する光源部９１０と、振動ミラー９２１と、振動ミラー９２１のミラー面３４に光源部９１０からのレーザビームを結像させるための結像光学系９２２と、ミラー面３４で反射された１本又は複数本のレーザビームを感光体ドラム９０２の表面に結像させるための走査光学系９２３とから構成されている。
振動ミラー９２１は、その駆動のための集積回路９２４と共に回路基板９２５に実装された形で光走査装置９０１に組み込まれている。

上記構成に係る光走査装置９０１は、次のような利点を有する。
振動ミラー９２１は、ミラー基板（可動部）の変形が少なくビーム形状が安定しているため、安定したビームスポット径での書き込みが可能である。
また、回転多面鏡に比べ駆動のための消費電力が小さいため、画像形成装置の高画質化、省電力化に有利である。
振動ミラー９２１のミラー基板の振動時の風切り音は回転多面鏡に比べ小さいため、画像形成装置の静音化の改善に有利である。
振動ミラー９２１は回転多面鏡に比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済み、また発熱量もわずかであるため、光走査装置９０１の小型化が容易であり、したがって画像形成装置の小型化に有利である。

また、振動ミラーは高速の往復走査が可能であるため、画像記録速度の高速化が可能である。
なお、記録紙９０８の搬送機構、感光体ドラム９０２の駆動機構、現像部９０５、転写部９０６などの制御手段、光源部９１０の駆動系などは、従来の画像形成装置と同様でよいため、図中では省略している。

図１３乃至図１６に基づいて第５の実施形態を説明する。
図１３に示すように、本実施形態に係る光偏向器としての振動ミラー９３０は、上述したアクチュエータを利用して構成されている。
すなわち、可動部２に光線を偏向する反射面としてのミラー面３４ｂを形成し、ミラー面３４ｂに入射した光の反射方向を変えられるようにしている。
さらにミラー面３４ｂは、可動部４内において、横方向（Ｘ軸方向）と直交する縦方向（Ｙ軸方向）を回転軸心として回転振動可能となっている。

ミラー面３４ｂのＹ軸周りの駆動は、内枠部に固定されたカンチレバーの振幅によってミラー部を支持するトーション梁３６に回転を与え、共振を利用して高速に回転振動させることによりなされる。
Ｘ軸周りの駆動は、前述した蛇行状梁部に圧電体を配置した構成を採り、低速で駆動する。
これにより、Ｘ軸方向周りとＹ軸方向周りで、大きな速度差が得られるので、ラスタースキャンが可能となり、高画質で２次元的に走査することができる。
図１４は、２軸ともに蛇行状梁部と圧電体とによる駆動の例である。２軸それぞれで、上記のように梁部の横幅（Ｙ軸方向では縦幅）の部分的な調整を行うことができる。符号３４ｃはミラー面を示している。

図１５は、本実施形態に係る画像投影装置を示している。
画像投影装置は、赤色のレーザー光を射出する赤色光源装置１Ｒと、緑色のレーザー光を射出する緑色光源１Ｇと、青色のレーザー光を射出する青色光源装置１Ｂと、クロスダイクロイックプリズム３８と、クロスダイクロイックプリズム３８から射出されたレーザー光を走査する振動ミラー９３０とを備え、投射面（スクリーン）４０に投影する。
画像投影装置は投射面を一体とする構成であってもよい。

赤色光源装置１Ｒは、中心波長が６３０ｎｍ前後である半導体レーザー（ＬＤ）であり、青色光源装置１Ｂは、中心波長が４３０ｎｍ前後である半導体レーザー（ＬＤ）である。
緑色光源装置１Ｇは、中心波長が５４０ｎｍ前後である緑色のレーザー光を出射する。
振動ミラー９３０は、上記のように２軸周りに回転振動できる構造を備えており、入射したレーザー光をスクリーン４０に反射させる。
これにより、スクリーン４０の水平方向及び垂直方向にレーザー光を走査することが可能となり、投影位置に応じて、各色の光源の発光量を調整することで、所望の画像を表示することができる。

例えば、主走査方向は共振特性を利用し、共振周波数で駆動し、副走査方向はそれよりも低速で駆動する必要があるので、図１４で示したように、中枠部（可動部）を蛇行状梁部で保持し、回転振動させる。
画像投影装置は、図１６に示すように、赤、緑、青で光路を１つにしない構成であってもよい。
ここではカラー画像を投影する構成を例示したが、白黒の場合にも同様に実施することができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定しない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

２ アクチュエータ
４ 可動部
６ 蛇行状梁部
８ 枠部材
１０ 回転軸心
１２ 梁部
１４ 圧電体としての駆動用圧電体
１６ 圧電体としての検出用圧電体
３４、３４ｂ、３４ｃ 反射面としてのミラー面
４０ 投影面
９０１ 光走査装置
９０２ 像担持体としての感光体ドラム
９０５ 現像手段としての現像装置
９２１ 光偏向器としての振動ミラー

特開２００９−９８２５３号公報 特開２０１３−５７８１９号公報 特開２０１２−２０８３５２号公報

Claims (10)

1. 可動部と、
   複数の折り返し部を有する蛇行形状を有し、前記可動部を回転振動可能に支持する蛇行状梁部と、
   前記蛇行状梁部を支持する枠部材と、
   前記蛇行状梁部に配置された圧電体と、
   前記圧電体に駆動電圧を印加するための電極と、
   を備え、
   前記圧電体に駆動電圧を印加して生じる前記圧電体の伸縮によって前記蛇行状梁部に反りを発生させ、各梁部での反り変形を累積させて前記可動部を回転振動させるものであり、
   前記蛇行状梁部における各梁部の前記可動部の回転軸心と直交する横方向の幅が、少なくとも一つの梁部で他の梁部と異なっているアクチュエータ。
2. 請求項１に記載のアクチュエータにおいて、
   前記蛇行状梁部における各梁部の前記横方向の幅は、前記可動部に近い方が遠い方よりも狭いアクチュエータ。
3. 請求項１又は２に記載のアクチュエータにおいて、
   前記各梁部には前記圧電体に並行に検出用圧電体が配置され、前記可動部に最も近い梁部に配置された検出用圧電体の前記横方向の幅は、他の位置に配置された検出用圧電体の幅よりも狭いアクチュエータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載のアクチュエータにおいて、
   前記梁部の前記横方向の幅が、１つの梁部で前記横方向と直交する縦方向において変化し、該１つの梁部における両辺が前記縦方向において平行ではないアクチュエータ。
5. 請求項４に記載のアクチュエータにおいて、
   前記１つの梁部の一辺は前記回転軸心に直交し、前記検出用圧電体は前記直交する辺側に該辺に平行に配置されているアクチュエータ。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載のアクチュエータの前記可動部に、光線を偏向する反射面を設けてなる光偏向器。
7. 光源と、該光源から光線を偏向走査する光偏向器とを有する光走査装置において、
   前記光偏向器が請求項６に記載の光偏向器である光走査装置。
8. 像担持体と、
   画像情報に基づいて前記像担持体に静電潜像を形成する光走査装置と、
   前記静電潜像を可視像化する現像手段と、
   前記可視像を記録媒体に転写して定着する手段と、
   を有し、
   前記光走査装置が請求項７に記載の光走査装置である画像形成装置。
9. 請求項７に記載の光走査装置において、
   前記可動部が、前記回転軸心に直交する方向においても該方向を回転軸心として回転振動可能である光走査装置。
10. 請求項９に記載の光走査装置を有し、投影面に光線を走査して画像を表示する画像投影装置。

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