JP2015210450A - 振動素子、光走査装置、画像形成装置、画像投影装置および光学パターン読み取り装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ミラーの変形が捻り梁に与える影響を緩和し、異常振動を発生しにくくした振動素子を提供する。【解決手段】ミラー部材３０１を圧電材４０１の中央部に配置し、保持部材２０１を圧電材４０１の周辺部で保持する振動素子１１〜１４が提供される。振動素子１１〜１４では、ミラー部材３０１の変形がミラー部材３０１を支持している第１の捻り梁１０１等に影響しにくくなるため、第１の捻り梁１０１等に撓み変形が生じにくくなる。【選択図】図１

Description

本発明は、光の走査などに用いられる振動素子およびそれを用いた光走査装置、画像形成装置、画像投影装置および光学パターン読み取り装置に関する。

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）タイプの振動素子が実用化され、レーザービームプリンターやレーザープロジェクターなどに応用されている。振動素子は、ミラーをトーションバー（捻り梁）で支持するように構成された振動子を有しており、ミラーの慣性モーメントと捻り梁のばね定数で決まる共振周波数の近傍の駆動周波数で駆動される。このような振動素子を用いた光走査装置では、レーザー光のビームウエストが走査角に依らずに所定の投射面上に位置するように、走査角に応じて焦点距離を補正するアークサインレンズなどの光学系が必要となる。

焦点距離の補正は可変焦点ミラーによっても実現できる。特許文献１によれば、光走査装置の光学系に可変焦点ミラーを配置してビームウエストの走査位置を変更できる光学的情報読み取り装置が提案されている。

特開平０７−１２１６４５号公報

アークサインレンズなどの光学系に代えて可変焦点ミラーを配置すれば、焦点距離の補正に係わる光学部品を簡素化できるであろう。しかし、単純に可変焦点ミラーを配置したのでは光走査装置が大型化してしまう。

光走査装置の小型化のためには走査ミラーと可変焦点ミラーを一体化することが考えられる。つまり、振動素子の捻り梁で支持されたミラー自体を焦点可変ミラーとするのである。しかしこれには次のような課題がある。

捻り梁で支持されたミラーを焦点可変ミラーとするには、ミラーを変形させるために圧電素子などの駆動源がミラー部材の背面や周囲に配置される。この構成では、ミラーの変形がミラーを支持している捻り梁やミラーを保持している保持部に影響し、捻り梁等に撓み変形が生じうる。ミラーが大きな曲率変化を必要とする場合にこの影響が大きくなりやすい。その結果、ミラーの回転振動に撓み振動が加わって、異常振動が生じる。異常振動は光の走査速度の変動や焦点の副走査方向への変動などを招く。その結果、たとえ可変ミラーの曲率を圧電素子により精密に制御したとしても、走査光のビームウエストを投射面上の所定の位置に正確に形成することが困難となる。

そこで、本発明は、不必要な撓み変形を低減した振動素子を提供することを目的とする。

本発明は、たとえば、
第１電極が形成された第１面、および第２電極が形成された第２面を有する圧電材と、
前記圧電材を保持する保持部材と、
前記圧電材に対して固定され、当該圧電材の変形に伴って曲率が変化するミラー部材と
を有し、
前記ミラー部材は、前記圧電材の中央部に配置され、
前記保持部材は、前記圧電材の周辺部を保持することを特徴とする振動素子を提供する。

本発明によれば、不必要な撓み変形を低減した振動素子が提供される。

振動素子の一例を示す図である。 振動素子の一例を示す図である。 振動素子の一例を示す図である。 振動素子の一例を示す図である。 振動素子の一例を示す図である。 振動素子の一例を示す図である。 光走査装置の動作を説明する平面図である。 光走査装置の駆動信号を示すグラフである。 光走査装置の動作を説明する平面図である。 光走査装置の動作を説明するグラフである。 光走査装置の動作を説明するグラフである。 画像形成装置の一例を示す平面図である。 画像投影装置の一例を示す平面図である。 光学パターン読み取り装置の一例を示す平面図である。

［光走査装置］
図１（ａ）は振動素子１１を例示している。図１（ｂ）は振動素子１１の構成を例示している。振動素子１１は、振動部２１とそれを揺動（回転振動）可能に支持する導電性を有する第１の捻り梁１０１と第２の捻り梁１０２とを有している。振動部２１は、圧電材４０１、ミラー部材３０１および第１の磁石６０１、第２の磁石６０２を有している。圧電材４０１は第１電極５０１が形成された第１面と第２電極５０２が形成された第２面とを有している。保持部材２０１は、圧電材４０１の第１面側から圧電材４０１を保持している。この例では、ミラー部材３０１と保持部材２０１はそれぞれ圧電材４０１における異なる面に取り付けられている。つまり、圧電材４０１の第２面側にミラー部材３０１が取り付けられている。

図１（ｂ）が示すように、保持部材２０１は、中央部に空間を有する枠体である。枠体の形状は圧電材４０１の周辺部の形状に沿った形状であれば十分である。この例では、圧電材４０１の形状が円形であるため、枠体は環状となっている。保持部材２０１と第１の捻り梁１０１との結合部付近と、保持部材２０１と第２の捻り梁１０２との結合部付近とにそれぞれ磁石保持部が設けられており、そこに第１の磁石６０１、第２の磁石６０２が取り付けられている。

第１の捻り梁１０１および第２の捻り梁１０２の各端部（基端部）は不図示の筐体に固定される。第１の捻り梁１０１および第２の捻り梁１０２の他方の各端部（先端部）はそれぞれ保持部材２０１に結合、接合、接続または固定されている。第１の捻り梁１０１および第２の捻り梁１０２の捻り変形によって振動部２１のミラー部材３０１の反射方向が変化し、光走査が行われる。また、ミラー部材３０１のミラー面の曲率は、圧電材４０１の変形に伴って変化する。

図２（ａ）が示すように、光走査装置１の振動部２１の近傍には磁界発生部７００が配置され、駆動回路８０１からの駆動信号に基づいて発生した交番磁界により第１の磁石６０１および第２の磁石６０２に回転トルクが生じ、振動部２１に回転振動が励起される。

図１（ｂ）や図２（ａ）が示すように、圧電材４０１の第１面には第１の電極５０１が形成されている。さらに、第１の捻り梁１０１または第２の捻り梁１０２は保持部材２０１を介して第１電極５０１と導通可能に接続されており、配線の代わりに使用されてもよい。保持部材２０１のうち少なくとも周辺部は導電性を有している。圧電材４０１の第２面には第２の電極５０２が形成されている。なお、第２電極５０２に対しては配線２０２を介して駆動回路８０２から駆動信号が印加される。

図２（ａ）が示すように、第１の捻り梁１０１または第２の捻り梁１０２は駆動信号を供給する駆動回路８０２に接続されている。第１の捻り梁１０１または第２の捻り梁１０２は駆動回路８０２から供給される駆動信号を、保持部材２０１を介して第１の電極５０１に印加する。これにより圧電材４０１の第１の電極５０１と第２の電極５０２の間に電界Ｅが生じ、圧電材４０１が電界Ｅに応じて伸縮してミラー部材３０１に変形を生じさせる。このように圧電材４０１とミラー部材３０１を有する振動部２１は曲率可変ミラーとして機能する。駆動回路８０２からの駆動信号の大きさによってミラー部材３０１の曲率が制御され、走査光の焦点位置が補正される。これにより、ビームウエストの位置が照射対象位置に合致するようになる。

図２（ａ）が示すように、圧電材４０１は、全体が同じ方向の分極Ｐを有している。圧電材４０１は、第１の電極５０１と第２の電極５０２に加えられた電圧により発生する電界Ｅにより電極面と平行な方向に伸縮する。

図２（ｂ）は圧電材４０１が伸びたときの模式図である。圧電材４０１の第２面側の中央部にはミラー部材３０１が配置されている。この中央部は、ミラー部材３０１と圧電材４０１がユニモルフ構造をしているため、１／Ｒ１の曲率を有する変形を生じる。図２（ｂ）ではミラー部材３０１と圧電材４０１の各中央部が右側に凸状に変形している。一方で、圧電材４０１の周辺部には保持部材２０１が配置されている。この周辺部は、保持部材２０１と圧電材４０１がユニモルフ構造をしているため、ミラー部材３０１とは逆方向（図２（ｂ）の左側）に凸状に変形している。この部分の曲率は１／Ｒ２である。これにより、ミラー部材３０１の変形が大きくなっても、その影響が捻り梁や保持部分に及び難くなり、不必要な撓み変形による異常振動を抑制できる。

［振動素子］
図１Ａおよび図１Ａには示した振動素子１１では、ミラー部材３０１と保持部材２０１はそれぞれ圧電材４０１における異なる面に取り付けられていた。しかし、ミラー部材３０１と保持部材２０１はそれぞれ圧電材４０１における同一の面に取り付けられていてもよい。

図３（ａ）および図３（ｂ）はミラー部材３０１と保持部材２０１が圧電材４０１の第２面側に取り付けられた振動素子１２を示している。さらに、第２電極５０２が、圧電材４０１の周辺部と中央部との境界付近に沿って第３電極５０３と第４電極５０４とに分割されている。第３電極５０３の形状は圧電材４０１の周辺部の形状や保持部材２０１の形状に類似した形状であり、この例では環状である。第４電極５０４の形状は圧電材４０１の中央部の形状やミラー部材３０１の形状に類似した形状であり、この例では円形である。もちろんこれらの形状は一例に過ぎない。ミラー部材３０１は、圧電材４０１の中央部（第４電極の表面）に取り付けられている。第３電極５０３と第４電極５０４との間は絶縁されているものとする。駆動回路８０２は、第１の捻り梁１０１および保持部材２０１を介して第３の電極５０３に接続され、配線２０２を介して第４の電極５０４に接続されている。保持部材２０１は導電性を有しているものとする。

図４が示すように、圧電材４０１の分極Ｐの方向は、圧電材４０１の全体において同じ方向となっている。図４が示すように、第３電極５０３と第１電極５０１とが第１コンデンサを形成しており、第４電極５０４と第１電極５０１とが第２コンデンサを形成している。また、図４においては、第１コンデンサと第２コンデンサとが直列に接続されている。よって、駆動回路８０２が電圧を印加することで第３電極５０３と第１電極５０１の間に発生する電界Ｅの方向と第１電極５０１と第４電極５０４の間に発生する電界Ｅの方向とは互いに逆方向となる。このため、圧電材４０１は中央部で伸びれば周辺部は縮むように変形する。つまり、振動素子１２も、図２（ｂ）に例示したような変形を生じる。

振動素子１２では、重量のあるミラー部材３０１を振動素子１２の回転軸の近くに配置できるため、振動素子１１と比較して、より安定して光走査を実現できる。

図５は、振動素子１３の断面図である。振動素子１３は振動素子１２において分極方向を変更したものである。つまり、振動素子１３では、圧電材４０１の分極方向Ｐが中央部と周辺部とで互いに逆方向となっている。このような分極は、圧電材４０１の製造時において、分割して形成された第３電極５０３と第４電極５０４の間に圧電材４０１の抗電界以上の電界を印加することで実現される。第３電極５０３と第４電極５０４を配線２０３等により接続し表面電極とし、裏面電極である第１電極５０１との間に電圧を印加すれば、圧電材４０１の中央部と周辺部とで同一方向の電界Ｅが発生する。これにより、圧電材４０１は中央部で伸び、周辺部は縮む。つまり、振動素子１３も、図２（ｂ）に例示したような変形を生じる。なお、駆動回路８０２は第１の捻り梁５０１および保持部材２０１を介して第３電極５０３と第４電極５０４に電気的に接続されている。同様に駆動回路８０２は、配線２０２を介して第１電極５０１と接続されている。配線２０３に代えて平板の導電性部材が採用されてもよい。

図６に示した振動素子１４は、振動素子１１または振動素子１３を変形したものである。振動素子１４においては第１電極５０１が第３電極５０３と第４電極５０４とに分割されている。振動素子１４の圧電材４０１の分極については振動素子１３について説明したとおりである。ミラー部材３０１、圧電材４０１および保持部材２０１の積層関係は振動素子１１のそれと同じである。つまり、ミラー部材３０１は圧電材４０１の第２面側に取り付けられている。圧電材４０１の第１面側に保持部材２０１が取り付けられている。第３電極５０３と第４電極５０４の各形状と配置位置は振動素子１３のそれと同じである。

振動素子１４について駆動回路８０２に対する電極の接続方法は振動素子１２の接続方法と同一である。第３電極５０３と第４電極５０４との間は絶縁されているものとする。駆動回路８０２は、第１の捻り梁１０１および保持部材２０１を介して第３の電極５０３に接続され、配線２０２を介して第４の電極５０４に接続されている。保持部材２０１は導電性を有しているものとする。

図６が示すように駆動回路８０２が駆動信号を印加すると、圧電材４０１の中央部と周辺部とではそれぞれ反対方向の電界Ｅが発生する。圧電材４０１の中央部と周辺部とではそれぞれ反対方向に分極している。これにより、圧電材４０１は中央部で伸び、周辺部は縮む。つまり、振動素子１４も、図２（ｂ）に例示したような変形を生じる。

［材料など］
捻り梁に用いられる材料としては、金属材料の他、カーボンを混合した樹脂材料など導電性材料であれば特に限定されるものではないが、繰り返し耐久性や耐衝撃性の観点から、ＳＵＳ３０１やＳＵＳ６３１等のステンレスや銅合金、Ｃｏ（コバルト）−Ｎｉ（ニッケル）基合金などの金属材料が採用されてもよい。その中でもＳＰＲＯＮ（登録商標）５１０に代表されるＣｏ−Ｎｉ−Ｃｒ（クロム）−Ｍｏ（モリブデン）合金などの時効硬化型Ｃｏ−Ｎｉ基合金は特に疲労限が高く、繰り返し応力が加わる光走査装置には都合がよい。また、Ｃｏ−Ｎｉ基合金は耐熱性や耐食性も高いため、通電やそれによる発熱が材料特性に影響を与えることは小さく、その点においても捻り梁に通電を行う光走査装置には適切であろう。さらに、Ｃｏ−Ｎｉ基合金は内部摩擦が小さいという特徴もあり、振動素子１１〜１４を共振させて回転振動させる際のＱ値が高く、駆動に要する消費電力を低減できる利点もある。Ｃｏ−Ｎｉ−Ｃｒ−Ｍｏ合金を用いる場合には、加工率５０％以上、より好ましくは９０％以上の圧延加工、または、線引き加工により加工硬化処理を施した後、形状加工を行い、５００〜６００℃程度の温度で時効硬化処理が施されてもよい。最終的なヤング率や硬度は、加工率と時効熱処理の温度および時間で調整も可能である。形状加工には、エッチング加工やプレス加工、レーザー加工、ワイヤー放電加工等を用いることができる。加工硬化処理や形状加工において、その仕上がり具合によっては表面付近の内部摩擦が増加し、振動素子のＱ値が低下してしまうことがある。そのような場合には、時効硬化処理前にエッチング処理を行うのが良く、目標寸法に対して大きめに形状加工を施したのち、硝酸系のエッチャントなどを用いて仕上げの形状加工を施すのが好ましい。また、加工硬化処理や形状加工時に生じた微少なクラックや表面の荒れがある場合にも、振動素子のＱ値低下や耐久性低下の問題が生じる。そのような場合には、時効硬化処理前に電界研磨処理を行うのが良く、リン酸系やエチレングリコール系の液を用いた電界研磨処理によって表面を平滑化するのが好ましい。

保持部材２０１は、生産性の観点から、夫々捻り梁と同一材料で一体構造であるのが好ましい。しかしこれに限定されるものではなく、金属材料など導電性材料で形成して捻り梁と接合しても良い。接合する際には、形状加工を簡素化できることから捻り梁に線材を用いるのが好ましく、また、接合部の耐久性向上のために接合する線材の端部に鍛造などによって接合面を形成するのが好ましい。

圧電材４０１には、圧電定数の大きいチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が好適に用いられる。しかし、これに限定されるものではなく、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸鉛等、圧電特性を有する材料であればよい。圧電材４０１は両面に電極の形成された焼結体の他、成膜可能な形状であれば、保持部材２０１やミラー部材３０１など導電性部材とミラー部材の複合構成に対して成膜によって形成されたものであってもよい。焼結体を用いる場合には、第１電極５０１や第２電極５０２と保持部材２０１の直接接合、または、接着剤等を用いた接着により圧電材４０１が保持される。接着による場合には、接着部における導電性部材と電極の間の電気容量が圧電材４０１の両電極間の電気容量よりも大きくなるように、できるだけ対向面積を大きくし、かつ、接着層を薄くして、導電性部材と電極を近接させるのが好ましい。また、接着剤に導電性を付与して導電性を確保しても良い。成膜で形成する場合には、保持部材２０１に直接成膜され、その間に電極は形成されない。成膜の方法としては、ゾルゲル法など各種の成膜方法を用いることができるが、その中でも、成膜レートが高く膜質の良い厚膜形成が容易なエアロゾルディポジション法やガスデポジション法を用いるのが好ましい。圧電材４０１の材料にＰＺＴを用い、保持部材２０１に金属材料を用いる場合には、鉛の拡散を防止する中間層が形成されてもよい。また、圧電特性の向上には熱処理温度を上げることが有効であるため、成膜の基材となる保持部材２０１は耐熱性が高い材料で形成されるのが好ましく、Ｃｏ−Ｎｉ基合金などが好適に用いられる。

ミラー部材３０１は、シリコンウエハや薄板ガラスなどの表面平坦性の良い基材に反射膜や増反射膜を形成したものの他、保持部材２０１に直接形成された反射膜等であってもよい。反射膜としては、蒸着等で形成されるＡｕ、Ａｇ、Ａｌ等の膜が挙げられる。また、必要に応じてその上に増反射膜が形成される。また、保持部材２０１の研磨によって鏡面を形成することも可能であり、この場合には、保持部材２０１がミラー部材３０１としても機能する。

磁石６０１、６０２は、特に限定されるものではないが、捻り振動に係わる慣性モーメントを小さくするために出来るだけ小型で磁力の強いものが好ましい。よって、磁力の強いＮｄ−Ｆｅ−Ｂ系磁石やＳｍ−Ｃｏ系磁石等や、小型形状形成が可能な加工性に優れたＦｅ−Ｃｒ−Ｃｏ系磁石などが好適に用いられうる。

［光走査装置の動作］
次に、図７〜図１１を参照して光走査装置の動作を説明する。

図７（ａ）は振動素子１１〜１４のいずれかを採用した光走査装置によるレーザー光走査の状態を示したものである。図７（ｂ）は振動部２１に配置されたミラー部材３０１の変形の様子を示したものであり、光の走査方向、および、それに垂直な副走査方向に共通の変形である。ミラー部材３０１が圧電材４０１に加えられた電気信号により図７（ｂ）の（Ｒ１）のような曲率を持った状態であるとき、ビームウエストが走査中心からＲ１の距離にある投射面Ｐ１の中央に位置しているとする。捻り梁の捻り振動により振動部２１が回転して図７（ｂ）の（Ｒ１’）の状態になったとき、ミラー部材３０１の曲率は圧電材４０１に加えられる電気信号の変化により（Ｒ１）の状態から小さくなる方向に変化し、ビームウエストは走査中心からＲ１’の距離にある投射面Ｐ１の右端に位置するようになる。仮に（Ｒ１）の状態から曲率が変化していない場合には、ビームウエストは走査端方向にＲ１の位置になり、投射面Ｐ１の右端ではビーム径が拡がってしまう。走査左端も同様に、図７（ｂ）の（Ｒ”）の状態で曲率が変化することによりビームウエストは投射面Ｐ１上に保持される。このように、１回の往復走査の間に２回のミラー曲率変化を生じさせる制御、即ち、走査周波数に対して２倍の周波数を含む信号を用いたミラー曲率の制御を行うことにより、アークサインレンズなどのレンズ光学系を使用することなく、最小スポットが形成されるビームウエスト位置をほぼ同一平面上に保持した光走査が可能になる。図７（ｃ）は、同様に面Ｐ１よりも投射距離の長い投射面Ｐ２にビームウエストを保持するためのミラー部材３０１の変形状態を示したものであり、図７（ｂ）よりも曲率が大きい状態を維持することで、ビームウエスト位置は（Ｒ２）→（Ｒ２’）→（Ｒ２）→（Ｒ２”）→（Ｒ２）と移動する。このように、圧電材４０１の駆動信号の制御により、ビームウエストを保持する面を変化させることも可能である。

図８は、図７のような走査を行うための駆動信号の例である。駆動回路８０１が周波数ｆ１の駆動信号を供給することで振動部２１に回転振動が誘起する。一方、駆動回路８０２が周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２を持つ信号にオフセット電圧ΔＶを加えて生成した駆動信号が捻り梁に印加される。これにより、ミラー部材３０１の曲率変形が誘起される。

周波数ｆ２の駆動信号は一走査内でビームウエストを走査面上に維持するための駆動信号であり、ΔＶはビームウエストを保持する面を変化させるためのオフセットである。振動部２１を共振により回転振動させる場合には周波数ｆ１の駆動信号と振動部２１の回転角の位相が９０度ずれる。そのため、回転角に合わせて振動部２１のミラー部材３０１の曲率変形が制御されるよう、駆動回路８０２が出力する駆動信号の位相も駆動回路８０１が出力する駆動信号の位相とはずれている。

次に、投射面に形成されるビームスポットの移動速度について説明する。光走査装置では、ビームを走査しながら時系列データに基づいてビーム強度を変化させたり、ビーム走査時の反射光の強度変化を時系列データとして検出したりすることで、画像の形成や投影、光学パターンの読み取りなどを行う。その際、ビームの移動速度が大きく変化すると、画像の歪や読み取り分解能のばらつきが生じてしまう。時系列データを補正してビーム強度の変化をビームの移動速度の変化に対応させる方法や、読み取り速度を移動速度の変化に対応させる方法も考えられるが、それには高価な高速の制御手段が必要となる。投射面上のビームスポットの移動はできるだけ等速であるのが好ましく、サイン波状に角度変化する振動素子１１〜１４のビーム走査角に対して、投射面上での等速性が得られる範囲で使用するのが好ましい。

図９は図７（ａ）と同様に光走査の状態を示したものである。走査の中央を基準にして、ミラー部材３０１の回転振動によるビームの最大走査角をθｏ、その内実際に走査光が利用される有効範囲をθｅｆｆとし、走査中心から距離Ｌの位置にある投射面Ｐ上でθｅｆｆに相当する範囲をＸｅｆｆとしている。投射面Ｐを図７（ａ）のＰ１とすると、Ｘｅｆｆの位置は投射面Ｐ１端部のＲ１’の位置に相当する。ビーム方向が角度θの方向であるとき、投射面Ｐ上に形成されるビームスポットの移動速度をＶとすると、角度θ＝０の時の移動速度Ｖｏを基準にして、角度θに対する移動速度Ｖの変化率Ｖ／Ｖｏは図１０（ａ）のようになる。図１０（ａ）において横軸はビームの方向を示す角度θであり、縦軸は移動速度Ｖの変化率Ｖ／Ｖｏである。最大走査角θｏを増加させていくと図の（ｉ）〜（ｖ）のように角度θに対する移動速度Ｖが変化する。このとき、スポット移動速度の許容誤差をΔｖとすると、（ｉｉｉ）のグラフでこの範囲内にある角度、即ち、有効走査角θｅｆｆはΘ３である。最大走査角を増加させた（ｉｖ）のグラフでは有効走査角がΘ４に拡がる。しかし、さらに最大走査角を増加させた（ｖ）のグラフでは有効走査角がΘ５となって逆に狭まり、これ以上最大走査角を増加しても有効走査角を拡げることはできない。図１０（ｂ）はこの最大走査角θｏと有効走査角θｅｆｆの関係を示したものであり、許容誤差の大きさによって有効走査角が最も広くなる最大走査角が異なる。図１０（ｃ）は、許容誤差の大きさに対する最大の有効走査角と、その有効走査角を得るために必要な最大走査角を示している。許容誤差による差はあるが、最大の有効走査角を得るには、４０度以上の最大走査角が必要となる。光走査装置においては、短い投射距離で広い範囲の画像形成や読み取りを行うことができるのが望ましく、有効走査角はできるだけ広いのが好ましい。また、振動素子１１〜１４の小型化や消費電力の観点から最大走査角はできるだけ狭いのが好ましい。これらのことから、有効走査角がピークとなる最大走査角で振動素子を動作させるのが好ましく、そのためには、最大走査角として走査の中央に対して±４０度以上、振動素子の回転振動振幅として±２０度以上にするのが好ましい。小型の振動素子でこの振幅を実現するには、ミラー部材３０１を支持する捻り梁に高い強度と耐久性が必要であり、時効硬化型のＣｏ−Ｎｉ基合金を用いた捻り梁はこの点からも非常に好ましい。

次に、光走査時の投射面に投射されるビームスポット径の変化について説明する。光走査装置において、ビームスポット径は光走査により形成や投影される画像の精細度や、光学パターン読み取りの分解能に大きく影響する。このため、有効走査領域内でのビームスポット径の変動は極力少ないのが好ましい。

図１１（ａ）に投射面上の位置によるビームスポット径の変化の一例を示す。図９に示した投射距離Ｌを１７４ｍｍに設定し、振動素子１１〜１４の回転振動によって投射面の中央Ｏからｘ軸方向へのビームスポットを移動したときのビームスポット径変化を示している。図１１（ａ）の横軸は投射面中央からの距離ｘであり、縦軸はビームスポット径φである。また、図１１（ｂ）には、ミラー部材３０１の曲率を変化させるために圧電材４０１に印加する駆動信号の一例を示す。周波数ｆ２の駆動信号は振動素子１１〜１４の回転振動の周波数、即ち、走査周波数（回転振動周波数）ｆ１の２倍の周波数ｆ２を持つ駆動信号であり、図８に示した周波数ｆ２の駆動信号と同じである。周波数ｆ４の駆動信号は周波数ｆ１の４倍の周波数ｆ４を持つ信号であり、周波数ｆ２＋ｆ４の駆動信号は周波数ｆ２の駆動信号と周波数ｆ４の駆動信号を適当な比率で重畳した信号である。走査面上の位置によるビームスポット径の変化は、走査周波数と同期したミラー変形を行わない場合には図１１（ａ）の“ｆ２なし”のグラフに示されたものとなり、走査端に向うに従って急激にスポット径が増大する。これに対して、周波数ｆ２の駆動信号によりミラー部材３０１の曲率を変化させた場合には、図１１（ａ）の“ｆ２のみ”のグラフに示されたものとなり、Ｘｅｆｆの有効走査範囲内でのビームスポット径の変動を大幅に抑えることができる。さらに、周波数ｆ２とｆ４を重畳させた駆動信号でミラー部材３０１の曲率を変化させた場合には、図１１（ａ）の“ｆ２＋ｆ４”のグラフに示されたものとなり、位置に依らずにほぼ一定のビームスポット径を得ることができる。

上に述べた等速性やビームスポット径の安定化の効果は、振動素子１１〜１４が異常振動などを生じずに安定した光走査を行うことができる場合に限って得られるものである。振動素子１１〜１４を用いて最大走査角を適切に設定し、また、走査周波数の２倍および４倍の周波数を持つ信号で振動部２１の曲率を制御することにより、画像の形成や投影、光学パターンの読み取りなどを高精度に行うことが可能な光走査装置を実現できる。

［画像形成装置］
図１２に光走査装置の実施例である画像形成装置７を示す。振動素子１０は上述した振動素子１１〜１４のいずれか１つであり、振動部周辺の構成は省略してある。光源９７１は、画像データに応じて制御回路９７０が出力した駆動信号に基づき強度変調した光を射出する。射出された光は射出光学系９７２を通って振動素子１０のミラー部材３０１で反射され、像担持体の一例である感光体９７５上を走査する。走査された光は、ＢＤセンサ９７３、９７４で検出される。制御回路９７０は、ＢＤセンサ９７３、９７４が出力する検出信号を基に走査角を制御するための制御信号を生成して出力する。制御信号は振動素子１０の駆動回路８７０の駆動回路８０１にフィードバックされる。これにより駆動回路８０１は振動素子１０の最大走査角を安定的に適切な値に維持する。また、駆動回路８７０に含まれている駆動回路８０２は検出信号に基づいてミラー曲率を制御するための制御信号を出力する。これにより、感光体９７５上でのビームスポット径がほぼ一定の大きさに維持される。

振動素子１１〜１４を用いた画像形成装置７は、断線や異常振動などが生じにくくなり安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮する。つまり、高精度で信頼性の高い画像形成が可能となる。また、振動素子１１〜１４を用いた画像形成装置７では、走査速度の変動を補正するレンズ光学系を簡素化できる。また、走査速度の変動に対応するための画像データの補正やレーザー光の強度変調信号の補正などが不要となる。これにより、小型で安価な画像形成装置が実現できる。

［画像形成装置］
図１３（ａ）に光走査装置の実施例である画像投影装置８を示す。振動素子１０は上記の振動素子１１〜１４のいずれか１つである。ＲＧＢ３原色を含む光源装置９８１は、画像データに基づいて制御回路９８０から出力された信号にしたがって強度変調した光を射出する。振動素子１０および垂直走査装置９８２により光は２次元走査され、スクリーン９８３に映像として投射される。垂直走査装置９８２の走査速度は振動素子１０よりも遅い。垂直走査装置９８２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る。制御回路９８０から出力される制御信号に基づいて駆動回路８８０に含まれる駆動回路８０１は振動素子１０の走査角を制御する。また、垂直走査装置９８２も同様に、制御回路９８０からの出力に基づいて走査角が制御される。さらに、駆動回路８８０の駆動回路８０２がミラー曲率制御信号（駆動信号）を出力することで、スクリーン９８３上でのビームスポット径がほぼ一定の大きさに維持される。また、制御回路９８０は、入力部９８４を通じて画像の台形補正が設定されると、垂直走査装置９８２の駆動信号の変化に応じてミラー曲率制御信号を変化させる。これにより、図１３（ｂ）のように斜め投影を行う際にも、スクリーン上部の走査では焦点距離を長く、下部では焦点距離を短くしてスクリーン上のビームスポット径をほぼ一定の大きさに維持することができる。

このように振動素子１１〜１４のいずれかを用いた画像投影装置８は、断線や異常振動などを生じずに安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮することができる。その結果、高精度で信頼性の高い画像投影が可能となる。また、画像投影装置８では、ミラー曲率制御信号の調整により斜め投影でもスクリーン上でビームスポット径をほぼ一定にすることができる。これにより、限られたスペースでも使用可能な高精細の画像投影装置８を実現できる。

［光学パターン読み取り装置］
図１４に光走査装置の実施例である光学パターン読み取り装置９を示す。振動素子１０は振動素子１１〜１４のいずれか１つである。光源９９１から射出された光は射出光学系９９２を通って振動素子１０のミラー部材３０１で反射され、光学パターン上を走査する。光学パターンに応じて強度が変化する反射光は、振動素子１０で再び反射された後に検出光学系９９４によって集光され、光センサ９９５で検出される。デコーダ９９６は、光センサ９９５が出力する検出信号を２値化する。これにより光学パターンの情報が読み取られる。駆動回路８９０は制御回路９９０からの信号に基づいて振動素子１０の回転振動の駆動信号およびミラー曲率制御信号を出力する。これにより、光学パターンのある投射面上でビームスポット径がほぼ一定の大きさに維持される。

振動素子１１〜１４のいずれかを用いた光学パターン読み取り装置９は、断線や異常振動などを生じずに安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮できる。その結果、高精度でかつ信頼性の高い読み取りが可能となる。

［まとめ］
本実施例によれば、ミラー部材３０１を圧電材４０１の中央部に配置し、保持部材２０１を圧電材４０１の周辺部で保持する振動素子１１〜１４が提供される。振動素子１１〜１４では、ミラー部材３０１の変形がミラー部材３０１を支持している第１の捻り梁１０１等に影響しにくくなるため、第１の捻り梁１０１等に撓み変形が生じにくくなる。たとえば、ミラー部材３０１に大きな曲率変化が生じたとしても、第１の捻り梁１０１等には撓み変形が生じにくい。よって、ミラー部材３０１の回転振動に対して加わる撓み振動も小さくなり、異常振動が生じにくくなる。このように、ミラー部材３０１の変形が第１の捻り梁１０１等に与える影響が緩和されるため、異常振動を発生しにくくした振動素子１１〜１４を提供される。なお、振動素子１１〜１４では、走査ミラーと可変焦点ミラーが一体化されるため、光走査装置の小型化も期待できる。

図１等に示したように、保持部材２０１は、中央部に空間を有する枠体である。よって、保持部材２０１を軽量化することが可能となる。図３や図４に示したように、この空間にはミラー部材３０１を収容することができる。ミラー部材３０１は比較的に重い。よって、図３や図４、図５に示した構造は、回転軸の中央に重量物を配置できるため、回転振動の安定化に寄与する。

図１等に示したように、枠体は環状であってもよい。環状構造は比較的に作成しやすいこと、軽量化に役立つこと、および圧電材４０１をしっかりと保持しやすいなど、メリットが多い。

図１や図６に示したように、ミラー部材３０１と保持部材２０１はそれぞれ圧電材４０１における異なる面に取り付けられていてもよい。また、図３や図４、図５に示したように、ミラー部材３０１と保持部材２０１はそれぞれ圧電材４０１における同一の面に取り付けられていてもよい。後者は、前者と比較して回転振動の安定化の面で有利な構造を採用しやすい。

図３ないし図６を用いて説明したように、第２電極５０２は、圧電材４０１の周辺部と中央部との境界付近に沿って第３電極５０３と第４電極５０４とに分割されていてもよい。これは、第１電極５０１を一方の電極とする複数のコンデンサを形成することに役立つ。これは、たとえば、中央部で延び、周辺部で伸縮するような圧電材４０１を構成しやすくなる利点をもたらすであろう。

たとえば、図５に示したように、第１電極５０１と第３電極５０３または第４電極５０４との間に駆動回路８０２から駆動信号が印加されてもよい。また、図４や図６に示したように、第３電極５０３と第４電極５０４との間に駆動信号が印加されてもよい。図２に示したように、１第１電極５０１と第２電極５０２との間に駆動信号が印加されてもよい。
このように本実施例で示した振動素子は駆動信号の供給パスについて自由度が高い。

図２（ｂ）に例示したように、駆動信号が印加されると、圧電材４０１の周辺部と圧電材４０１の中央部とで異なる側に凸状に変形する。つま、中央部で延び、周辺部で伸縮するような圧電材４０１を構成しやすくなる。これは、圧電材４０１の変形の影響を捻り梁に伝えにくくする上で効果があろう。

図５や図６に示したように、圧電材４０１の周辺部における分極の方向と当該圧電材４０１の中央部における分極の方向とが異なっていてもよい。これは、図５や図６に示した電極構造や配線構造を実現する上で有利となろう。

保持部材２０１に結合した第２の捻り梁１０２をさらに備えられていてもよい。図１ないし図６ではこのような両持ち支持構造の振動素子について説明したが、第２の捻り梁１０２のない片持ち支持構造の振動素子に上記の実施例が採用されてもよい。片持ち支持構造は、振動素子のサイズを小さくできる利点がある。両持ち支持構造は片持ち支持構造と比較して、全体のサイズは大きくなるが、より撓み剛性が高くなり、走査線の副走査方向への変動を抑えやすくなる。

保持部材２０１と第１の捻り梁１０１との結合部付近と、保持部材２０１と第２の捻り梁１０２との結合部付近とにそれぞれ磁石が取り付けられていてもよい。結合部付近は回転振動の軸に近い。よって、結合部付近に磁石を配置することで、回転振動を安定させることができる。

第１の捻り梁１０１は導電性を有し、導電性の保持部材２０１を介して圧電材４０１への駆動信号を伝達してもよい。これにより、配線を減らすことができ、配線の断線という問題を軽減できる。

なお、振動素子１１〜１４のいずれかと、圧電材４０１に駆動信号を供給する駆動回路８０１、８０２と、ミラー部材３０１を揺動させる磁界を発生する磁界発生部７００とを有し、光源からの光をミラー部材３０１により走査する光走査装置がさらに提供されてもよい。振動素子１１〜１４を採用することで、安定した光り走査を実現できる。

駆動回路は、ミラー部材３０１の回転振動周波数ｆ１の２倍の周波数ｆ２の信号と４倍の周波数ｆ４の信号とを重畳して駆動信号を生成してもよい。これにより、位置に依らずにほぼ一定のビームスポット径を得ることができる。

ミラー部材３０１の回転角は±２０度以上であってもよい。これはミラー部の走査角を広くしつつ、消費電力を削減するうえで有効である。

図１２を用いて説明したように、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７が提供されてもよい。振動素子１１〜１４を用いた画像形成装置７は、断線や異常振動などが生じにくくなり安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮する。つまり、高精度で信頼性の高い画像形成が可能となる。また、振動素子１１〜１４を用いた画像形成装置７では、走査速度の変動を補正するレンズ光学系を簡素化できる。また、走査速度の変動に対応するための画像データの補正やレーザー光の強度変調信号の補正などが不要となる。これにより、小型で安価な画像形成装置が実現できる。

図１３を用いて説明したように、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８が提供されてもよい。振動素子１１〜１４のいずれかを用いた画像投影装置８は、断線や異常振動などを生じずに安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮することができる。その結果、高精度で信頼性の高い画像投影が可能となる。また、画像投影装置８では、ミラー曲率制御信号の調整により斜め投影でもスクリーン上でビームスポット径をほぼ一定にすることができる。これにより、限られたスペースでも使用可能な高精細の画像投影装置８を実現できる
図１４を用いて説明したように、光走査装置を備えたことを特徴とする光学パターン読み取り装置９が提供されてもよい。振動素子１１〜１４のいずれかを用いた光学パターン読み取り装置９は、断線や異常振動などを生じずに安定した光走査およびミラー曲率制御を行うことができる。このため、最大走査角の適切化やミラー曲率制御信号の適切化により、等速性やビームスポット径の安定化の効果を発揮できる。その結果、高精度でかつ信頼性の高い読み取りが可能となる。

Claims (20)

1. 第１電極が形成された第１面、および第２電極が形成された第２面を有する圧電材と、
   前記圧電材を保持する保持部材と、
   前記圧電材に対して固定され、当該圧電材の変形に伴って曲率が変化するミラー部材と
   を有し、
   前記ミラー部材は、前記圧電材の中央部に配置され、
   前記保持部材は、前記圧電材の周辺部を保持することを特徴とする振動素子。
2. 前記保持部材は、中央部に空間を有する枠体であることを特徴とする請求項１に記載の振動素子。
3. 前記枠体は環状であることを特徴とする請求項２に記載の振動素子。
4. 前記ミラー部材と前記保持部材とはそれぞれ前記圧電材における異なる面に取り付けら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項に記載の振動素子。
5. 前記ミラー部材と前記保持部材とはそれぞれ前記圧電材における同一の面に取り付けら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項に記載の振動素子。
6. 前記第２電極は、前記圧電材の周辺部と中央部との境界付近に沿って第３電極と第４電極とに分割されていることを特徴とする請求項５に記載の振動素子。
7. 前記第１電極と前記第３電極または前記第４電極との間に駆動信号が印加されることを特徴とする請求項６に記載の振動素子。
8. 前記第３電極と前記第４電極との間に駆動信号が印加されることを特徴とする請求項６に記載の振動素子。
9. 前記第１電極と前記第２電極との間に駆動信号が印加されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の振動素子。
10. 前記駆動信号が印加されると、前記圧電材の周辺部と前記圧電材の中央部とで異なる側に凸状に変形することを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の振動素子。
11. 前記圧電材の周辺部における分極の方向と当該圧電材の中央部における分極の方向とが異なっていることを特徴とする請求項７に記載の振動素子。
12. 前記保持部材に結合した第１の捻り梁と、第２の捻り梁とをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の振動素子。
13. 前記保持部材と前記第１の捻り梁との結合部付近と、前記保持部材と前記第２の捻り梁との結合部付近とにそれぞれ磁石が取り付けられていることを特徴とする請求項１２に記載の振動素子。
14. 前記第１の捻り梁は導電性を有し、前記圧電材への駆動信号を伝達することを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の振動素子。
15. 請求項１ないし１４のいずれか１項に記載された振動素子と、
    前記振動素子の第１の捻り梁を介して前記圧電材に駆動信号を供給する駆動回路と、
    前記振動素子のミラー部を揺動させる磁界を発生する磁界発生部と
    を有し、光源からの光を前記ミラー部により走査することを特徴とする光走査装置。
16. 前記駆動回路は、前記ミラー部の回転振動周波数の２倍の周波数の信号と４倍の周波数の信号とを重畳して前記駆動信号を生成することを特徴とする請求項１５に記載の光走査装置。
17. 前記ミラー部の回転角は±２０度以上であることを特徴とする請求項１５または１６に記載の光走査装置。
18. 請求項１５ないし１７のいずれか１項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。
19. 請求項１５ないし１７のいずれか１項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。
20. 請求項１５ないし１７のいずれか１項に記載の光走査装置を備えたことを特徴とする光学パターン読み取り装置。

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