JP2015210451A - Vibration element, optical scanner, image forming apparatus, image projection device, and optical pattern reading device - Google Patents

Vibration element, optical scanner, image forming apparatus, image projection device, and optical pattern reading device Download PDF

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鈴木 成己
Shigemi Suzuki
成己 鈴木
若林 孝幸
Takayuki Wakabayashi
孝幸 若林
克美 新井
Katsumi Arai
克美 新井
慶吾 安藤
Keigo Ando
慶吾 安藤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vibration element that has a simpler configuration and can reduce manufacturing cost.SOLUTION: There are formed a power feeding path that includes a first torsion beam 101, second torsion beam 102, first conductive member 201, and first electrode 501, and a power feeding path that includes a third torsion beam 103, fourth torsion beam 104, second conductive member 202, and second electrode 502. A first magnet group is arranged that generates a magnetic field acting on a current flowing through the first torsion beam 101 and a current flowing through the fourth torsion beam 104. A second magnet group is arranged that generates a magnetic field acting on a current flowing through the second torsion beam 102 and a current flowing through the third torsion beam 103. With this configuration, a vibration part 21 causes torsional vibration.

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。   The present invention relates to a vibration element used for light scanning and the like, and an optical scanning device, an image forming apparatus, an image projection apparatus, and an optical pattern reading apparatus using the vibration element.

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。   In recent years, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) type vibration elements have been put into practical use and applied to laser beam printers, laser projectors, and the like. The vibration element has a vibrator configured to support the mirror with a torsion bar (torsion beam), and is driven at a drive frequency near the resonance frequency determined by the moment of inertia of the mirror and the spring constant of the torsion beam. The In an optical scanning device using such an oscillating element, an arc sine lens or the like that corrects the focal length according to the scanning angle so that the beam waist of the laser beam is positioned on a predetermined projection surface without depending on the scanning angle This optical system is required.

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。   Focal length correction can also be realized by a variable focus mirror. According to Patent Document 1, an optical information reading device is proposed in which a variable focus mirror is arranged in an optical system of an optical scanning device and a beam waist scanning position can be changed.

特開平07−121645号公報Japanese Patent Laid-Open No. 07-121645

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。   If a variable focus mirror is arranged instead of an optical system such as an arc sine lens, the optical components related to the correction of the focal length can be simplified. However, if the variable focus mirror is simply arranged, the optical scanning device becomes large.

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。   In order to reduce the size of the optical scanning device, it is conceivable to integrate the scanning mirror and the variable focus mirror. That is, the mirror itself supported by the torsion beam of the vibration element is used as a variable focus mirror. However, this has the following problems.

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をミラー部材の背面や周囲に配置する必要がある。さらに、圧電素子を駆動するためには振動素子の外部から駆動源に電力を供給するための配線が必要となる。しかし、ワイヤーを用いた配線などではミラーの高速振動により断線や結合部の剥離の問題が生じる。一方で、捻り梁に導電層を形成することで配線を実現することも考えられる。しかし、捻り梁には振動時に最大応力が加わるため、とりわけ捻り梁の単位長さ当りの捻り角が大きい用途では導電層の膜剥がれが生じうる。広い走査角が必要な場合は捻り梁を長くする必要があり、振動素子の小型化が必要な場合には走査角を狭くする必要がある。つまり、広角走査と小型化を両立できないという課題がある。また、表面に配線層が形成された捻り梁では、最も変形量の大きい表面に内部摩擦の大きい層があることによって振動のQ値が低下したり、膜応力による捻り梁の変形で異常振動が発生したりする可能性がある。Q値の低下は消費電力の増大や走査角の低下を招く。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き、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できない。   In order to use a mirror supported by a torsion beam as a variable focus mirror, it is necessary to dispose a driving source such as a piezoelectric element on the back surface or the periphery of the mirror member in order to deform the mirror. Furthermore, in order to drive the piezoelectric element, a wiring for supplying power to the drive source from the outside of the vibration element is required. However, in the case of wiring using a wire or the like, there is a problem of disconnection or separation of the joint due to high-speed vibration of the mirror. On the other hand, it is also conceivable to realize wiring by forming a conductive layer on the torsion beam. However, since the maximum stress is applied to the torsion beam at the time of vibration, peeling of the conductive layer can occur particularly in applications where the torsion angle per unit length of the torsion beam is large. When a wide scanning angle is required, it is necessary to lengthen the torsion beam. When it is necessary to reduce the size of the vibration element, it is necessary to narrow the scanning angle. That is, there is a problem that wide-angle scanning and miniaturization cannot be achieved. In addition, in a torsion beam with a wiring layer formed on the surface, the Q value of vibration decreases due to the presence of a layer with a large amount of internal friction on the surface with the largest amount of deformation, or abnormal vibration occurs due to deformation of the torsion beam due to film stress. May occur. A decrease in Q value leads to an increase in power consumption and a decrease in scanning angle. Abnormal vibrations cause fluctuations in the scanning speed of the light, fluctuations in the focal point in the sub-scanning direction, and the like. It cannot be formed accurately at the position.

これらの課題はさておくとしても、可変焦点ミラーの駆動手段と光走査のための回転振動の駆動手段といった2つの駆動手段が必要となる。これは、光走査装置の構成を煩雑にし、製造コストを増大させる。   Aside from these problems, two drive means are required, such as a drive means for the variable focus mirror and a drive means for rotational vibration for optical scanning. This complicates the configuration of the optical scanning device and increases the manufacturing cost.

そこで、本発明は、より簡易な構成でかつ製造コストを低減可能な振動素子を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a vibration element that has a simpler configuration and can reduce manufacturing costs.

本発明は、たとえば、
第1電極と第2電極とを有する圧電材と、
前記第1電極に結合した第1の導電性部材と、
前記第1の導電性部材に結合した導電性の第1の捻り梁および第2の捻り梁と、
前記第2電極に結合した第2の導電性部材と、
前記第2の導電性部材に結合した導電性の第3の捻り梁および第4の捻り梁と、
前記圧電材または前記第1の導電性部材に固定され、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、
前記圧電材は、前記第1の捻り梁、前記第2の捻り梁、前記第1の導電性部材および前記第1電極を含む給電パスと、前記第3の捻り梁、前記第4の捻り梁、前記第2の導電性部材および前記第2電極を含む給電パスとを通じて印加された電圧にしたがって変形することを特徴とする振動素子を提供する。
The present invention is, for example,
A piezoelectric material having a first electrode and a second electrode;
A first conductive member coupled to the first electrode;
A conductive first torsion beam and a second torsion beam coupled to the first conductive member;
A second conductive member coupled to the second electrode;
A conductive third torsion beam and a fourth torsion beam coupled to the second conductive member;
A mirror member fixed to the piezoelectric material or the first conductive member and having a curvature that varies with the deformation of the piezoelectric material;

Have
The piezoelectric material includes the first torsion beam, the second torsion beam, the power supply path including the first conductive member and the first electrode, the third torsion beam, and the fourth torsion beam. The vibrating element is deformed according to a voltage applied through the power supply path including the second conductive member and the second electrode.

本発明によれば、より簡易な構成でかつ製造コストを低減可能な振動素子が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the vibration element which can reduce manufacturing cost with a simpler structure is provided.

振動素子の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a vibration element. 振動素子の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a vibration element. 駆動信号の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a drive signal. 振動素子の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a vibration element. 振動素子の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a vibration element. 光走査装置の動作を説明する平面図である。It is a top view explaining operation | movement of an optical scanning device. 光走査装置の駆動信号を示すグラフである。It is a graph which shows the drive signal of an optical scanning device. 光走査装置の動作を説明する平面図である。It is a top view explaining operation | movement of an optical scanning device. 光走査装置の動作を説明するグラフである。It is a graph explaining operation | movement of an optical scanning device. 光走査装置の動作を説明するグラフである。It is a graph explaining operation | movement of an optical scanning device. 画像形成装置の一例を示す平面図である。1 is a plan view illustrating an example of an image forming apparatus. 画像投影装置の一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of an image projector. 光学パターン読み取り装置の一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of an optical pattern reader.

[光走査装置]
図1(a)は光走査装置を構成する振動素子11を例示している。図1(b)は振動素子11の構成例を示している。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、第2の捻り梁102、第3の捻り梁103および第4の捻り梁104を有している。圧電材401は、第1電極501と第2電極502とを少なくとも有する。図1(b)によれば、第1電極501は圧電材401の第1面側に設けられており、第2電極502は圧電材401の第2面側に設けられている。第1電極501には第1の導電性部材201が結合している。第1の導電性部材201は、たとえば、円形の平板である。第1の導電性部材201には導電性の第1の捻り梁101および第2の捻り梁102が結合している。この例では、第1の捻り梁101は第1の導電性部材201の一端側に結合しており、第2の捻り梁102は第1の導電性部材201の他端側に結合している。
[Optical scanning device]
FIG. 1A illustrates the vibration element 11 constituting the optical scanning device. FIG. 1B shows a configuration example of the vibration element 11. The vibration element 11 includes a vibration portion 21 and a first torsion beam 101, a second torsion beam 102, a third torsion beam 103, and a fourth torsion having conductivity that support the vibration portion 21 so as to be able to swing (rotate and vibrate). A beam 104 is provided. The piezoelectric material 401 has at least a first electrode 501 and a second electrode 502. According to FIG. 1B, the first electrode 501 is provided on the first surface side of the piezoelectric material 401, and the second electrode 502 is provided on the second surface side of the piezoelectric material 401. A first conductive member 201 is coupled to the first electrode 501. The first conductive member 201 is, for example, a circular flat plate. A conductive first torsion beam 101 and a second torsion beam 102 are coupled to the first conductive member 201. In this example, the first torsion beam 101 is coupled to one end side of the first conductive member 201, and the second torsion beam 102 is coupled to the other end side of the first conductive member 201. .

第2電極502には第2の導電性部材202が結合している。第2の導電性部材202は、たとえば、中央に空間のある枠体である。このような枠体は軽量化の点で有利である。なお、第2の導電性部材202も円形の平板であってもよい。第2の導電性部材202には、導電性の第3の捻り梁103および第4の捻り梁104が結合している。この例では、第3の捻り梁103は第2の導電性部材202の一端側に結合しており、第4の捻り梁104は第2の導電性部材202の他端側に結合している。   The second conductive member 202 is coupled to the second electrode 502. The second conductive member 202 is a frame having a space in the center, for example. Such a frame is advantageous in terms of weight reduction. Note that the second conductive member 202 may also be a circular flat plate. A conductive third torsion beam 103 and a fourth torsion beam 104 are coupled to the second conductive member 202. In this example, the third torsion beam 103 is coupled to one end side of the second conductive member 202, and the fourth torsion beam 104 is coupled to the other end side of the second conductive member 202. .

ミラー部材301は、第1の導電性部材201を介して圧電材401に固定されている。圧電材401は、第1の捻り梁101、第2の捻り梁102、第1の導電性部材201および第1電極501を含む給電パスと、第3の捻り梁103、第4の捻り梁104、第2の導電性部材202および第2電極502を含む給電パスとを通じて印加された電圧にしたがって変形する。つまり、圧電材401の第1電極501と第2電極502との間に電圧を印加することで、圧電材401が変形する。ミラー部材301は、圧電材401の変形に伴って曲率が変化する。   The mirror member 301 is fixed to the piezoelectric material 401 via the first conductive member 201. The piezoelectric material 401 includes the first torsion beam 101, the second torsion beam 102, the first conductive member 201, and the first electrode 501, the third torsion beam 103, and the fourth torsion beam 104. And deformed according to the voltage applied through the power supply path including the second conductive member 202 and the second electrode 502. That is, the piezoelectric material 401 is deformed by applying a voltage between the first electrode 501 and the second electrode 502 of the piezoelectric material 401. The curvature of the mirror member 301 changes with the deformation of the piezoelectric material 401.

第1磁石群は、第1の捻り梁101に沿って配置された第1磁石601と、第4の捻り梁104に沿って配置された第4磁石604とを有している。第1磁石群は、第1の捻り梁101および第4の捻り梁104に流れる電流と作用する磁界を発生する。第2磁石群は、第2の捻り梁102に沿って配置された第2磁石602と、第3の捻り梁103に沿って配置された第3磁石603とを有している。第2磁石群は、第3の捻り梁103および第2の捻り梁102に流れる電流と作用する磁界を発生する。第2磁石群は、第1磁石601と第2磁石602を有している。電流と磁界とが作用することで、捻じり振動の元となるローレンツ力が発生する。   The first magnet group includes a first magnet 601 disposed along the first torsion beam 101 and a fourth magnet 604 disposed along the fourth torsion beam 104. The first magnet group generates a magnetic field that acts on the current flowing through the first torsion beam 101 and the fourth torsion beam 104. The second magnet group includes a second magnet 602 disposed along the second torsion beam 102 and a third magnet 603 disposed along the third torsion beam 103. The second magnet group generates a magnetic field that acts on the current flowing through the third torsion beam 103 and the second torsion beam 102. The second magnet group includes a first magnet 601 and a second magnet 602. The Lorentz force that causes torsional vibration is generated by the action of the current and the magnetic field.

第1の捻り梁101、第2の捻り梁102、第3の捻り梁103、第4の捻り梁104の各端部の一方は筐体などに固定されており、他方は導電性部材に固定されている。第1の捻り梁101と第4の捻り梁104は並行するように配置されており、これらが一体の捻り梁として捻り変形する。また、第2の捻り梁102と第3の捻り梁103は並行するように配置されており、これらが一体の捻り梁として捻り変形する。それによって振動部21におけるミラー部材301の反射方向が変化し、光走査が行われる。   One end of each of the first torsion beam 101, the second torsion beam 102, the third torsion beam 103, and the fourth torsion beam 104 is fixed to a housing or the like, and the other is fixed to a conductive member. Has been. The first torsion beam 101 and the fourth torsion beam 104 are arranged so as to be parallel to each other, and these are torsionally deformed as an integral torsion beam. Further, the second torsion beam 102 and the third torsion beam 103 are arranged so as to be parallel to each other, and these are torsionally deformed as an integral torsion beam. Thereby, the reflection direction of the mirror member 301 in the vibration part 21 is changed, and optical scanning is performed.

図2は光走査装置1の断面図である。駆動回路801で生成された駆動信号は第1の捻り梁101、第2の捻り梁102、第3の捻り梁103、第4の捻り梁104に印加される。第1の捻り梁101に対して印加される電圧をV1とし、第2の捻り梁102に対して印加される電圧をV2とし、第3の捻り梁103に対して印加される電圧をV3とし、第4の捻り梁104に対して印加される電圧をV4とする。第1の捻り梁101から第1の導電性部材201を通して第2の捻り梁102へ電位差(V1−V2)に応じた電流I1が通電される。これが第1の給電パスとなる。また、第3の捻り梁103から第2の導電性部材202を通して第4の捻り梁104へ電位差(V3−V4)に応じた電流I2が通電される。これが第2の給電パスとなる。第1磁石601および第4磁石604によって磁界H1が発生する。また、第2磁石602および第4磁石603によって磁界H2が発生する。磁界H1、H2に対して電流I1、I2が作用する。その結果、第1の捻り梁101と第4の捻り梁104の組に捻りトルクが生じる。同様に、第3の捻り梁103と第2の捻り梁102の組に捻りトルクが生じる。その結果、振動部21の回転振動が励起される。   FIG. 2 is a cross-sectional view of the optical scanning device 1. The drive signal generated by the drive circuit 801 is applied to the first torsion beam 101, the second torsion beam 102, the third torsion beam 103, and the fourth torsion beam 104. The voltage applied to the first torsion beam 101 is V1, the voltage applied to the second torsion beam 102 is V2, and the voltage applied to the third torsion beam 103 is V3. The voltage applied to the fourth torsion beam 104 is V4. A current I1 corresponding to the potential difference (V1-V2) is applied from the first twisted beam 101 to the second twisted beam 102 through the first conductive member 201. This is the first power supply path. Further, a current I2 corresponding to the potential difference (V3-V4) is supplied from the third twisted beam 103 to the fourth torsion beam 104 through the second conductive member 202. This is the second power supply path. A magnetic field H <b> 1 is generated by the first magnet 601 and the fourth magnet 604. The second magnet 602 and the fourth magnet 603 generate a magnetic field H2. Currents I1 and I2 act on the magnetic fields H1 and H2. As a result, a twisting torque is generated in the set of the first torsion beam 101 and the fourth torsion beam 104. Similarly, a torsion torque is generated in the set of the third torsion beam 103 and the second torsion beam 102. As a result, the rotational vibration of the vibration unit 21 is excited.

第1の導電性部材201の電位は夫々(V1+V2)/2となる。第2の導電性部材202の電位は(V3+V4)/2となる。これらの電位差が第1電極501と第2電極502の間に生じ、圧電材401の内部に電界Eが発生する。電界Eの大きさに応じて圧電材401が伸縮し、ミラー部材301の曲率が変化してミラー部材301の焦点および曲率が可変となる。すなわち、振動部21は曲率可変ミラー部として機能する。ミラー部材301の曲率を制御することで走査光のビームウエスとの位置を調整できる。   The potential of the first conductive member 201 is (V1 + V2) / 2, respectively. The potential of the second conductive member 202 is (V3 + V4) / 2. These potential differences are generated between the first electrode 501 and the second electrode 502, and an electric field E is generated inside the piezoelectric material 401. The piezoelectric material 401 expands and contracts according to the magnitude of the electric field E, the curvature of the mirror member 301 changes, and the focus and curvature of the mirror member 301 become variable. That is, the vibration part 21 functions as a variable curvature mirror part. By controlling the curvature of the mirror member 301, the position of the scanning beam with respect to the beam waste can be adjusted.

図3は駆動回路801で生成される駆動信号の一例を示している。ある周波数の信号S1に対して2倍の周波数を持つ信号をS2とする。なお、S1は信号S1の振幅も表すものとする。同様に、S2は信号S2の振幅も表すものとする。上述した電圧V1は(S1+S2)/2であり、電圧V2は(−S1+S2)/2であり、電圧V3は(S1−S2)/2であり、電圧V4は(−S1−S2)/2である。このとき、電位差(V2−V1)、または、(V4−V3)は信号S1となり、信号S1に応じた電流Iが捻り梁に通電される。また、第1の導電性部材201と第2の導電性部材202の電位差はS2となり、捻り梁に通電される電流の2倍の周波数を持つ信号が圧電材401に印加される。図3に示した駆動信号により、光走査の周波数に対して2倍の周波数で曲率変化を光走査装置1が実現される。   FIG. 3 shows an example of a drive signal generated by the drive circuit 801. A signal having a frequency twice that of a certain frequency signal S1 is defined as S2. Note that S1 also represents the amplitude of the signal S1. Similarly, S2 also represents the amplitude of the signal S2. The voltage V1 described above is (S1 + S2) / 2, the voltage V2 is (−S1 + S2) / 2, the voltage V3 is (S1−S2) / 2, and the voltage V4 is (−S1−S2) / 2. is there. At this time, the potential difference (V2-V1) or (V4-V3) becomes the signal S1, and the current I corresponding to the signal S1 is passed through the torsion beam. In addition, the potential difference between the first conductive member 201 and the second conductive member 202 is S2, and a signal having a frequency twice as high as the current passed through the torsion beam is applied to the piezoelectric material 401. With the drive signal shown in FIG. 3, the optical scanning device 1 can realize a change in curvature at a frequency twice as high as the optical scanning frequency.

本実施例によれば、第1の捻り梁101、第2の捻り梁102、第3の捻り梁103、第4の捻り梁104、第1の導電性部材201および第2の導電性部材202が配線として機能する。よって、配線が不要となり、配線の断線問題が発生しない。また、配線と電極との接合部が存在しないため、接合部とその周囲との物理特性の違いが発生せず、曲率を安定的に設定しやすくなる。   According to the present embodiment, the first torsion beam 101, the second torsion beam 102, the third torsion beam 103, the fourth torsion beam 104, the first conductive member 201, and the second conductive member 202. Functions as wiring. Therefore, no wiring is required, and there is no wiring disconnection problem. In addition, since there is no junction between the wiring and the electrode, there is no difference in physical characteristics between the junction and the surrounding area, and the curvature can be easily set stably.

[他の構造の振動素子]
図4は振動素子12を示している。振動素子11と共通する部分の説明は省略する。振動素子12でも、第1電極501は圧電材401の第1面側に設けられており、第2電極502は圧電材401の第2面側に設けられている。ミラー部材301は第1の導電性部材201に固定されている。第1の導電性部材201は第1電極に電気的に接続されている(つまりこれらは導通している)。第2電極502は第2の導電性部材202に電気的に接続されているとともに、固定されている。
[Vibration elements with other structures]
FIG. 4 shows the vibration element 12. A description of portions common to the vibration element 11 is omitted. Also in the vibration element 12, the first electrode 501 is provided on the first surface side of the piezoelectric material 401, and the second electrode 502 is provided on the second surface side of the piezoelectric material 401. The mirror member 301 is fixed to the first conductive member 201. The first conductive member 201 is electrically connected to the first electrode (that is, they are conductive). The second electrode 502 is electrically connected to the second conductive member 202 and fixed.

第1の捻り梁101は第1の導電性部材201の一端側に結合しており、第2の捻り梁102も第1の導電性部材201の一端側に結合している。同様に、第3の捻り梁103は第2の導電性部材202の一端側に結合しており、第4の捻り梁104も第2の導電性部材202の一端側に結合している。このように、第1の捻り梁101と第2の捻り梁102が並行して配置されている。また、第3の捻り梁103と第4の捻り梁104が並行して配置されている。つまり、4本の並行する梁が一体の捻り梁群として機能する。   The first torsion beam 101 is coupled to one end side of the first conductive member 201, and the second torsion beam 102 is also coupled to one end side of the first conductive member 201. Similarly, the third torsion beam 103 is coupled to one end side of the second conductive member 202, and the fourth torsion beam 104 is also coupled to one end side of the second conductive member 202. In this way, the first torsion beam 101 and the second torsion beam 102 are arranged in parallel. Further, the third torsion beam 103 and the fourth torsion beam 104 are arranged in parallel. That is, four parallel beams function as an integral torsion beam group.

第1磁石601は第1の捻り梁101および第3の捻り梁103に沿って配置されている。第2磁石602は第2の捻り梁102および第4の捻り梁104に沿って配置されている。第1磁石601および第2磁石602によって発生する磁界Hに対して、第1の捻り梁101および第2の捻り梁102に流れる電流が作用し、第3の捻り梁103および第4の捻り梁104に流れる電流が作用する。これにより捻り振動が発生する。   The first magnet 601 is disposed along the first torsion beam 101 and the third torsion beam 103. The second magnet 602 is disposed along the second torsion beam 102 and the fourth torsion beam 104. A current flowing through the first torsion beam 101 and the second torsion beam 102 acts on the magnetic field H generated by the first magnet 601 and the second magnet 602, and the third torsion beam 103 and the fourth torsion beam. The electric current which flows into 104 acts. This generates torsional vibration.

振動素子12では振動部21を片側のみで支持する構成(片持ち支持構造)となるが、捻り梁が4本の並行する梁で構成されているために撓み剛性が高い。また、ミラー部材301に垂直な方向に撓み振動するモードおよび平行な方向に撓み振動するモードも共振周波数が高い。そのため、撓み振動による異常振動などが発生し難い。また、全体サイズを小さくでき、磁石の数を減らせるメリットもある。   The vibration element 12 has a configuration in which the vibration portion 21 is supported only on one side (cantilever support structure). However, since the torsion beam is composed of four parallel beams, the bending rigidity is high. In addition, the resonance frequency is also high in a mode in which bending vibration occurs in a direction perpendicular to the mirror member 301 and a mode in which bending vibration occurs in a parallel direction. Therefore, it is difficult for abnormal vibrations due to flexural vibrations to occur. In addition, there is an advantage that the overall size can be reduced and the number of magnets can be reduced.

図5(a)は振動素子13を示す斜視図である。図5(b)は振動素子13の構成例を示す図である。図5(c)は振動部21の構成例を示す断面図である。振動素子11または振動素子12と共通する部分の説明は省略する。図5(b)が示すように圧電材401の第1面側に設けられた電極が第1電極501と第2電極502とに分割されている。電極の分割に合わせて、圧電材401の第1面側に設けられる導電性部材も第1の導電性部材201と第2の導電性部材202とに分割されている。分割された電極の形状と導電性部材との形状は基本的に一致しているものとする。ミラー部材301は第1の導電性部材201と第2の導電性部材202とに固定されている。圧電材401の第2面側には第3電極503が設けられている。   FIG. 5A is a perspective view showing the vibration element 13. FIG. 5B is a diagram illustrating a configuration example of the vibration element 13. FIG. 5C is a cross-sectional view illustrating a configuration example of the vibration unit 21. A description of portions common to the vibration element 11 or the vibration element 12 is omitted. As shown in FIG. 5B, the electrode provided on the first surface side of the piezoelectric material 401 is divided into a first electrode 501 and a second electrode 502. In accordance with the division of the electrodes, the conductive member provided on the first surface side of the piezoelectric material 401 is also divided into a first conductive member 201 and a second conductive member 202. It is assumed that the shape of the divided electrode and the shape of the conductive member are basically the same. The mirror member 301 is fixed to the first conductive member 201 and the second conductive member 202. A third electrode 503 is provided on the second surface side of the piezoelectric material 401.

第1磁石群は、第1の捻り梁101に沿って配置された第1磁石601と、第4の捻り梁104に沿って配置された第4磁石604とを有している。第1磁石群は、第1の捻り梁101および第4の捻り梁104に流れる電流と作用する磁界を発生する。第2磁石群は、第2の捻り梁102に沿って配置された第2磁石602と、第3の捻り梁103に沿って配置された第3磁石603とを有している。   The first magnet group includes a first magnet 601 disposed along the first torsion beam 101 and a fourth magnet 604 disposed along the fourth torsion beam 104. The first magnet group generates a magnetic field that acts on the current flowing through the first torsion beam 101 and the fourth torsion beam 104. The second magnet group includes a second magnet 602 disposed along the second torsion beam 102 and a third magnet 603 disposed along the third torsion beam 103.

図5(c)が示すように、圧電材401のうち第1電極501と第3電極503とが対向している部分と、第2電極502と第3電極503とが対向している部分とでは、異なる方向に分極している。第1電極501と第3電極503とが第1コンデンサを形成しており、第2電極502と第3電極503とが第2コンデンサを形成している。これらのコンデンサは直列に接続されている。第1電極501と第2電極502との間に電圧を印加することで極板間に電界Eが発生して圧電材401が伸縮し、ミラー部材301の曲率を変化させる。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1電極501と第2電極502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。この構成では、圧電材401の第2面側に配置されるものがなく、圧電材401と他の部材で理想的なユニモルフ構造が実現される。よって、ミラー部材301の全体で曲率がほぼ一様となり、反射光のビーム形状に歪みを生じ難い光走査装置1を実現できる。   As shown in FIG. 5C, a portion of the piezoelectric material 401 where the first electrode 501 and the third electrode 503 face each other, a portion where the second electrode 502 and the third electrode 503 face each other, Then, they are polarized in different directions. The first electrode 501 and the third electrode 503 form a first capacitor, and the second electrode 502 and the third electrode 503 form a second capacitor. These capacitors are connected in series. By applying a voltage between the first electrode 501 and the second electrode 502, an electric field E is generated between the electrode plates, and the piezoelectric material 401 expands and contracts to change the curvature of the mirror member 301. Such polarization is realized by applying an electric field higher than the coercive electric field of the piezoelectric material 401 between the first electrode 501 and the second electrode 502 formed separately when the piezoelectric material 401 is manufactured. In this configuration, there is nothing arranged on the second surface side of the piezoelectric material 401, and an ideal unimorph structure is realized by the piezoelectric material 401 and other members. Therefore, the optical scanning device 1 can be realized in which the curvature of the mirror member 301 is almost uniform and the beam shape of the reflected light is hardly distorted.

[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11〜13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。
[Materials]
The material used for the torsion beam is not particularly limited as long as it is a conductive material such as a resin material mixed with carbon in addition to a metal material, but from the viewpoint of repeated durability and impact resistance, SUS301 and SUS631. Metal materials such as stainless steel, copper alloy, and Co (cobalt) -Ni (nickel) base alloy may be employed. Among these, age-hardening type Co-Ni based alloys such as Co-Ni-Cr (chromium) -Mo (molybdenum) alloys represented by SPRON (registered trademark) 510 have a particularly high fatigue limit and are subjected to repeated stress. Is convenient. In addition, since the Co—Ni-based alloy has high heat resistance and corrosion resistance, it is unlikely that energization or heat generated by it will affect the material characteristics, which is also appropriate for an optical scanning apparatus that energizes a torsion beam. Let's go. In addition, the Co—Ni base alloy has a feature that the internal friction is small, and has a high Q value when the vibration elements 11 to 13 are caused to resonate and rotationally vibrate. In the case of using a Co—Ni—Cr—Mo alloy, after a work hardening treatment is performed by rolling or drawing at a working rate of 50% or more, more preferably 90% or more, shape processing is performed, Age hardening treatment may be performed at a temperature of about 600 ° C. The final Young's modulus and hardness can be adjusted by the processing rate and the aging heat treatment temperature and time. For the shape processing, etching processing, press processing, laser processing, wire electric discharge processing or the like can be used. In work hardening processing and shape processing, depending on the finish, internal friction near the surface may increase and the Q value of the vibration element may decrease. In such a case, it is better to perform an etching process before age-hardening treatment, and after performing shape processing larger than the target dimension, finish shape processing is performed using a nitric acid-based etchant or the like. preferable. In addition, even when there are minute cracks or surface roughness that occur during work hardening or shape processing, problems such as a decrease in Q value and durability of the vibration element occur. In such a case, electropolishing is preferably performed before age hardening, and the surface is preferably smoothed by electropolishing using a phosphoric acid-based or ethylene glycol-based liquid.

導電性部材201、202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。   From the viewpoint of productivity, the conductive members 201 and 202 are preferably made of the same material as the torsion beam and have an integral structure. However, the present invention is not limited to this, and it may be formed of a conductive material such as a metal material and joined to the torsion beam. When joining, it is preferable to use a wire rod for the torsion beam because the shape processing can be simplified, and for the purpose of improving the durability of the joint portion, a joining surface is formed by forging etc. Is preferred.

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、導電性部材201、202、ミラー部材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、電極501、502と導電性部材201、202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、導電性部材201、202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、導電性部材201、202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、成膜の基材となる導電性部材201、202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。   As the piezoelectric material 401, lead zirconate titanate (PZT) having a large piezoelectric constant is preferably used. However, the material is not limited to this, and any material having piezoelectric characteristics such as barium titanate, lead titanate, lead niobate, or the like may be used. As long as the piezoelectric material 401 has a shape in which a film can be formed in addition to a sintered body in which electrodes are formed on both surfaces, the film is formed on a composite structure of a conductive member and a mirror member such as conductive members 201 and 202 and a mirror member. It may be formed by. In the case of using a sintered body, the piezoelectric material 401 is held by direct bonding of the electrodes 501 and 502 and the conductive members 201 and 202 or by adhesion using an adhesive or the like. In the case of bonding, the facing area is increased as much as possible and the bonding layer is thinned so that the electric capacity between the conductive member and the electrode in the bonding portion is larger than the electric capacity between both electrodes of the piezoelectric material 401. Thus, it is preferable to bring the conductive member and the electrode close to each other. Moreover, conductivity may be imparted to the adhesive to ensure conductivity. In the case of forming by film formation, the film is formed directly on the conductive members 201 and 202, and no electrode is formed between them. As a film formation method, various film formation methods such as a sol-gel method can be used. Among them, an aerosol deposition method and a gas deposition method are used which are easy to form a thick film with a high film formation rate and good film quality. Is preferred. When PZT is used for the material of the piezoelectric material 401 and a metal material is used for the conductive members 201 and 202, an intermediate layer for preventing lead diffusion may be formed. In order to improve the piezoelectric characteristics, it is effective to increase the heat treatment temperature. Therefore, it is preferable that the conductive members 201 and 202 serving as a film formation base material be formed of a material having high heat resistance, and a Co—Ni base. An alloy or the like is preferably used.

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、導電性部材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、導電性部材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、導電性部材201がミラー部材301としても機能する。   The mirror member 301 may be a reflection film directly formed on the conductive member 201 in addition to a reflection film or an increase reflection film formed on a base material with good surface flatness such as a silicon wafer or thin glass. Examples of the reflective film include films of Au, Ag, Al, etc. formed by vapor deposition. Further, a reflective reflection film is formed thereon as necessary. Further, a mirror surface can be formed by polishing the conductive member 201. In this case, the conductive member 201 also functions as the mirror member 301.

磁石601〜604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。   The magnets 601 to 604 are not particularly limited, but are preferably as small and strong as possible in order to reduce the moment of inertia related to torsional vibration. Therefore, an Nd—Fe—B magnet or Sm—Co magnet having a strong magnetic force, an Fe—Cr—Co magnet excellent in workability capable of forming a small shape, or the like can be suitably used.

[光走査装置の動作]
次に、図6〜図10を参照して光走査装置の動作を説明する。
[Operation of optical scanning device]
Next, the operation of the optical scanning device will be described with reference to FIGS.

図6(a)は振動素子11〜13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6(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6(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6(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6(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6(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6(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。   FIG. 6A shows a state of laser beam scanning by an optical scanning device employing any of the vibrating elements 11 to 13. FIG. 6B shows a state of deformation of the mirror member 301 disposed in the vibration unit 21, and is a common deformation in the light scanning direction and the sub-scanning direction perpendicular thereto. When the mirror member 301 has a curvature as shown in (R1) of FIG. 6B by an electric signal applied to the piezoelectric material 401, the beam waist of the projection surface P1 whose distance is R1 from the scanning center is shown. Assume that it is located in the center. When the vibrating portion 21 is rotated by the torsional vibration of the torsion beam to reach the state of (R1 ′) in FIG. The beam waist is positioned at the right end of the projection plane P1 at a distance R1 ′ from the scanning center. If the curvature does not change from the state (R1), the beam waist is at the position R1 in the scanning end direction, and the beam diameter expands at the right end of the projection plane P1. Similarly, at the left end of the scan, the beam waist is held on the projection plane P1 by changing the curvature in the state of (R ″) in FIG. 6B. Without using a lens optical system such as an arc sine lens, by controlling the mirror curvature using a signal including a frequency twice as high as the scanning frequency 6 (c) similarly holds the beam waist on the projection surface P2 having a longer projection distance than the surface P1. FIG. 6 shows a deformed state of the mirror member 301, and the beam waist position is (R2) → (R2 ′) → (R2) → ( R2 ") → (R ) When you move. As described above, the surface holding the beam waist can be changed by controlling the drive signal of the piezoelectric material 401.

図7は、図6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は、周波数f1の駆動信号S1と、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S2を捻り梁に印加する。これにより、回転振動が発生するとともに、ミラー部材301の曲率変形が誘起される。   FIG. 7 is an example of a drive signal for performing scanning as shown in FIG. The drive circuit 801 applies a drive signal S2 generated by adding an offset voltage ΔV to a drive signal S1 having a frequency f1 and a signal having a frequency f2 that is twice the frequency f1 to the twisted beam. Thereby, rotational vibration is generated and curvature deformation of the mirror member 301 is induced.

周波数f2の駆動信号S2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S1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、駆動信号S2の位相も駆動信号S1の位相とはずれている。   The drive signal S2 having the frequency f2 is a drive signal for maintaining the beam waist on the scan plane within one scan, and ΔV is an offset for changing the plane holding the beam waist. When the vibration unit 21 is rotationally vibrated by resonance, the drive signal S1 having the frequency f1 and the rotation angle of the vibration unit 21 are shifted by 90 degrees. Therefore, the phase of the drive signal S2 is also shifted from the phase of the drive signal S1 so that the curvature deformation of the mirror member 301 of the vibration unit 21 is controlled in accordance with the rotation angle.

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11〜13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。   Next, the moving speed of the beam spot formed on the projection surface will be described. The optical scanning device changes the beam intensity based on the time series data while scanning the beam, or detects the change in the intensity of the reflected light during the beam scanning as the time series data. Read the optical pattern. At this time, if the moving speed of the beam changes greatly, image distortion and variation in reading resolution occur. A method of correcting the time-series data so that the change in the beam intensity corresponds to the change in the moving speed of the beam or a method in which the reading speed corresponds to the change in the moving speed can be considered, but this requires expensive high-speed control means. It becomes. It is preferable that the movement of the beam spot on the projection surface is as constant as possible, and within a range in which constant velocity on the projection surface can be obtained with respect to the beam scanning angle of the vibrating elements 11 to 13 whose angle changes in a sine wave shape. It is preferred to use.

図8は図6(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6(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9(a)のようになる。図9(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9(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9(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11〜13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。   FIG. 8 shows the optical scanning state as in FIG. Projection plane located at a distance L from the scanning center, with θo being the maximum scanning angle of the beam due to rotational vibration of the mirror member 301 with reference to the center of scanning, and θeff being the effective range in which scanning light is actually used. A range corresponding to θeff on P is Xeff. Assuming that the projection plane P is P1 in FIG. 6A, the position of Xeff corresponds to the position of R1 'at the end of the projection plane P1. When the beam direction is the direction of the angle θ and the moving speed of the beam spot formed on the projection plane P is V, the moving speed V with respect to the angle θ is based on the moving speed Vo when the angle θ = 0. The rate of change V / Vo is as shown in FIG. In FIG. 9A, the horizontal axis represents the angle θ indicating the beam direction, and the vertical axis represents the rate of change V / Vo of the moving speed V. As the maximum scanning angle θo is increased, the moving speed V with respect to the angle θ changes as shown in (i) to (v) of the figure. At this time, if the allowable error of the spot moving speed is Δv, the angle within this range in the graph of (iii), that is, the effective scanning angle θeff is Θ3. In the graph (iv) in which the maximum scanning angle is increased, the effective scanning angle is expanded to Θ4. However, in the graph (v) in which the maximum scanning angle is further increased, the effective scanning angle becomes Θ5 and narrows conversely. Even if the maximum scanning angle is increased further, the effective scanning angle cannot be expanded. FIG. 9B shows the relationship between the maximum scanning angle θo and the effective scanning angle θeff, and the maximum scanning angle at which the effective scanning angle is widest differs depending on the size of the allowable error. FIG. 9C shows the maximum effective scanning angle with respect to the size of the allowable error and the maximum scanning angle necessary for obtaining the effective scanning angle. Although there is a difference due to an allowable error, a maximum scanning angle of 40 degrees or more is required to obtain the maximum effective scanning angle. In an optical scanning device, it is desirable that a wide range of image formation and reading can be performed with a short projection distance, and the effective scanning angle is preferably as wide as possible. In addition, the maximum scanning angle is preferably as narrow as possible from the viewpoints of downsizing the vibration elements 11 to 13 and power consumption. For these reasons, it is preferable to operate the vibration element at the maximum scanning angle at which the effective scanning angle reaches a peak. For this purpose, the maximum vibration angle is ± 40 degrees or more with respect to the center of the scanning, and the rotational vibration amplitude of the vibration element. Is preferably ± 20 degrees or more. In order to achieve this amplitude with a small vibration element, the torsion beam supporting the mirror member 301 needs to have high strength and durability, and the torsion beam using the age-hardening type Co—Ni based alloy is from this point. Is also highly preferred.

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。   Next, changes in the beam spot diameter projected onto the projection surface during optical scanning will be described. In an optical scanning device, the beam spot diameter greatly affects the definition of an image formed or projected by optical scanning and the resolution of optical pattern reading. For this reason, it is preferable that the variation of the beam spot diameter within the effective scanning region is as small as possible.

図10(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8に示した投射距離Lを174mmに設定し、振動素子11〜13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10(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10(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11〜13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7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10(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10(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10(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。   FIG. 10A shows an example of a change in the beam spot diameter depending on the position on the projection surface. 8 shows the change in the beam spot diameter when the projection distance L shown in FIG. 8 is set to 174 mm and the beam spot is moved in the x-axis direction from the center O of the projection surface by the rotational vibration of the vibrating elements 11 to 13. The horizontal axis in FIG. 10A is the distance x from the center of the projection surface, and the vertical axis is the beam spot diameter φ. FIG. 10B shows an example of a drive signal applied to the piezoelectric material 401 in order to change the curvature of the mirror member 301. The drive signal having the frequency f2 is a drive signal having a frequency f2 that is twice the frequency of the rotation vibration of the vibration elements 11 to 13, that is, the scanning frequency (rotation vibration frequency) f1, and the drive signal having the frequency f2 shown in FIG. Is the same. The drive signal of frequency f4 is a signal having a frequency f4 that is four times the frequency f1, and the drive signal of frequency f2 + f4 is a signal obtained by superimposing the drive signal of frequency f2 and the drive signal of frequency f4 at an appropriate ratio. The change of the beam spot diameter depending on the position on the scanning plane is shown in the graph of “no f2” in FIG. 10A when the mirror deformation synchronized with the scanning frequency is not performed. The spot diameter increases rapidly. On the other hand, when the curvature of the mirror member 301 is changed by the drive signal of the frequency f2, it is as shown in the graph of “only f2” in FIG. 10A, and within the effective scanning range of Xeff. The fluctuation of the beam spot diameter can be greatly suppressed. Further, when the curvature of the mirror member 301 is changed by a drive signal in which the frequencies f2 and f4 are superimposed, the graph is shown in the graph “f2 + f4” in FIG. 10A, and is almost independent of the position. A constant beam spot diameter can be obtained.

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11〜13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11〜13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。   The above-described effects of constant velocity and stabilization of the beam spot diameter can be obtained only when the vibrating elements 11 to 13 can perform stable optical scanning without causing abnormal vibration or the like. By appropriately setting the maximum scanning angle using the vibration elements 11 to 13 and controlling the curvature of the vibration unit 21 with a signal having a frequency twice and four times the scanning frequency, image formation and projection, An optical scanning device capable of reading an optical pattern with high accuracy can be realized.

[画像形成装置]
図11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11〜13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801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。
[Image forming apparatus]
FIG. 11 shows an image forming apparatus 7 which is an embodiment of an optical scanning device. The vibration element 10 is any one of the vibration elements 11 to 13 described above, and the configuration around the vibration unit is omitted. The light source 971 emits light whose intensity is modulated based on the drive signal output from the control circuit 970 according to the image data. The emitted light is reflected by the mirror member 301 of the vibration element 10 through the emission optical system 972, and scans on the photoconductor 975 which is an example of an image carrier. The scanned light is detected by BD sensors 973 and 974. The control circuit 970 generates and outputs a control signal for controlling the scanning angle based on detection signals output from the BD sensors 973 and 974. The control signal is fed back to the drive circuit 801 of the drive circuit 870 of the vibration element 10. As a result, the drive circuit 801 stably maintains the maximum scanning angle of the vibration element 10 at an appropriate value. A drive circuit 801 included in the drive circuit 870 outputs a control signal for controlling the mirror curvature based on the detection signal. Thereby, the beam spot diameter on the photosensitive member 975 is maintained at a substantially constant size.

振動素子11〜13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11〜13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。   The image forming apparatus 7 using the vibration elements 11 to 13 is less likely to cause disconnection or abnormal vibration, and can perform stable optical scanning and mirror curvature control. For this reason, the effects of constant speed and stabilization of the beam spot diameter are exhibited by optimizing the maximum scanning angle and optimizing the mirror curvature control signal. That is, highly accurate and reliable image formation is possible. Further, in the image forming apparatus 7 using the vibration elements 11 to 13, the lens optical system that corrects the variation in the scanning speed can be simplified. In addition, it is not necessary to correct the image data or the intensity modulation signal of the laser beam in order to cope with fluctuations in the scanning speed. Thereby, a small and inexpensive image forming apparatus can be realized.

[画像形成装置]
図12(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11〜13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801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12(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。
[Image forming apparatus]
FIG. 12A shows an image projection apparatus 8 which is an embodiment of the optical scanning apparatus. The vibration element 10 is any one of the vibration elements 11 to 13 described above. The light source device 981 including the three primary colors of RGB emits light whose intensity is modulated in accordance with a signal output from the control circuit 980 based on the image data. The light is two-dimensionally scanned by the vibration element 10 and the vertical scanning device 982 and projected onto the screen 983 as an image. The scanning speed of the vertical scanning device 982 is slower than that of the vibration element 10. For the vertical scanning device 982, for example, a galvanometer mirror that can perform positioning with high accuracy by non-resonant driving is used. Based on the control signal output from the control circuit 980, the drive circuit 801 included in the drive circuit 880 controls the scanning angle of the vibration element 10. Similarly, the scanning angle of the vertical scanning device 982 is controlled based on the output from the control circuit 980. Further, the drive circuit 801 of the drive circuit 880 outputs a mirror curvature control signal (drive signal), whereby the beam spot diameter on the screen 983 is maintained at a substantially constant size. Further, when the trapezoidal correction of the image is set through the input unit 984, the control circuit 980 changes the mirror curvature control signal in accordance with the change in the drive signal of the vertical scanning device 982. As a result, even when oblique projection is performed as shown in FIG. 12B, the focal length is increased in the scanning of the upper portion of the screen, and the focal length is decreased in the lower portion, so that the beam spot diameter on the screen is set to a substantially constant size. Can be maintained.

このように振動素子11〜13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。   As described above, the image projection apparatus 8 using any of the vibration elements 11 to 13 can perform stable optical scanning and mirror curvature control without causing disconnection or abnormal vibration. For this reason, it is possible to exhibit the effects of constant speed and stabilization of the beam spot diameter by optimizing the maximum scanning angle and optimizing the mirror curvature control signal. As a result, highly accurate and reliable image projection is possible. Further, in the image projection device 8, the beam spot diameter can be made substantially constant on the screen even by oblique projection by adjusting the mirror curvature control signal. Thereby, the high-definition image projector 8 that can be used in a limited space can be realized.

[光学パターン読み取り装置]
図13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11〜13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。
[Optical pattern reader]
FIG. 13 shows an optical pattern reading device 9 which is an embodiment of an optical scanning device. The vibration element 10 is any one of the vibration elements 11 to 13. The light emitted from the light source 991 is reflected by the mirror member 301 of the vibration element 10 through the emission optical system 992, and scans the optical pattern. The reflected light whose intensity changes in accordance with the optical pattern is reflected again by the vibration element 10, collected by the detection optical system 994, and detected by the optical sensor 995. The decoder 996 binarizes the detection signal output from the optical sensor 995. Thereby, the information of the optical pattern is read. The drive circuit 890 outputs a drive signal for rotational vibration of the vibration element 10 and a mirror curvature control signal based on the signal from the control circuit 990. Thereby, the beam spot diameter is maintained at a substantially constant size on the projection surface having the optical pattern.

振動素子11〜13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。   The optical pattern reader 9 using any of the vibration elements 11 to 13 can perform stable optical scanning and mirror curvature control without causing disconnection or abnormal vibration. For this reason, it is possible to exhibit the effects of constant speed and stabilization of the beam spot diameter by optimizing the maximum scanning angle and optimizing the mirror curvature control signal. As a result, highly accurate and reliable reading is possible.

[まとめ]
本実施例によれば、圧電材401の第1電極501に第1の導電性部材201を結合し、第1の導電性部材201には導電性の第1の捻り梁101および第2の捻り梁102を結合する。圧電材401の第2電極502に第2の導電性部材202を結合し、第2の導電性部材202には導電性の第3の捻り梁103および第4の捻り梁104を結合する。これにより第1の捻り梁101、第2の捻り梁102、第1の導電性部材201および第1電極501を含む第1の給電パスと、第3の捻り梁103、第4の捻り梁104、第2の導電性部材202および第2電極502を含む第2の給電パスとが形成される。ミラー部材301は圧電材401に固定されていてもよいし、第1の導電性部材201に固定されていてもよい。さらに、第1の捻り梁101に流れる電流と第4の捻り梁104に流れる電流とに作用する磁界を発生する第1磁石群が配置される。また、第2の捻り梁102に流れる電流と第3の捻り梁103に流れる電流とに作用する磁界を発生する第2磁石群が配置される。これにより、これらの捻り梁が捻り振動を発生し、ミラー部材301が光を走査できるようになる。なお、各磁石群に含まれる磁石は1つであってもよいし、複数であってもよい。さらに、圧電材401は、2つの給電パスを通じて印加された電圧にしたがって変形し、ミラー部材301は、圧電材401の変形に伴って曲率が変化する。このように、本実施例では振動素子11〜14を振動させるための電力とミラー部材301の曲率を変化させるための電力の供給を、捻り梁を通じて同時に実現できる。よって、駆動回路の数や配線を減らすことが可能となる。つまり、本実施例は、より簡易な構成でかつ製造コストを低減可能な振動素子を提供できる。また、配線を用いなくても電力を圧電材401に供給でき、断線などの不良が生じにくくなり、安定した回転振動(揺動)を実現できる。さらに、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。また、本実施例では、振動部21には磁石を配置する必要がないため、振動部21の軽量化と製造コストの低下を実現しやすい。さらに、4本の捻り梁は、外部から衝撃が加わっても変動し難くし、また、変動しても短時間で変動を減衰させるとった効果をもたらそう。
[Summary]
According to the present embodiment, the first conductive member 201 is coupled to the first electrode 501 of the piezoelectric material 401, and the first conductive member 201 includes the conductive first twisted beam 101 and the second twisted beam. The beams 102 are joined. The second conductive member 202 is coupled to the second electrode 502 of the piezoelectric material 401, and the conductive third torsion beam 103 and the fourth torsion beam 104 are coupled to the second conductive member 202. Accordingly, the first feeding path including the first torsion beam 101, the second torsion beam 102, the first conductive member 201, and the first electrode 501, the third torsion beam 103, and the fourth torsion beam 104. A second power supply path including the second conductive member 202 and the second electrode 502 is formed. The mirror member 301 may be fixed to the piezoelectric material 401 or may be fixed to the first conductive member 201. Furthermore, a first magnet group that generates a magnetic field that acts on the current flowing in the first torsion beam 101 and the current flowing in the fourth torsion beam 104 is disposed. In addition, a second magnet group that generates a magnetic field acting on the current flowing in the second torsion beam 102 and the current flowing in the third torsion beam 103 is disposed. Thereby, these torsion beams generate torsional vibration, and the mirror member 301 can scan light. Each magnet group may include one magnet or a plurality of magnets. Furthermore, the piezoelectric material 401 is deformed according to the voltages applied through the two power supply paths, and the curvature of the mirror member 301 changes as the piezoelectric material 401 is deformed. Thus, in this embodiment, it is possible to simultaneously supply power for vibrating the vibrating elements 11 to 14 and power for changing the curvature of the mirror member 301 through the torsion beam. Therefore, the number of driving circuits and wiring can be reduced. That is, the present embodiment can provide a vibration element that has a simpler configuration and can reduce manufacturing costs. Further, electric power can be supplied to the piezoelectric material 401 without using wiring, and defects such as disconnection are less likely to occur, and stable rotational vibration (swing) can be realized. Further, since the scanning mirror and the variable focus mirror are integrated, the optical scanning device can be expected to be downsized. Further, in this embodiment, since it is not necessary to arrange a magnet in the vibration part 21, it is easy to realize weight reduction of the vibration part 21 and a reduction in manufacturing cost. Furthermore, the four torsion beams are less likely to fluctuate even when an impact is applied from the outside, and even if fluctuated, the effect of attenuating the fluctuation in a short time will be brought about.

図1、図2、図5を用いて説明したように、第1の捻り梁101は第1の導電性部材201の一端側に結合しており、第2の捻り梁102は第1の導電性部材201の他端側に結合していてもよい。また、第3の捻り梁103は第2の導電性部材202の一端側に結合しており、第4の捻り梁104は第2の導電性部材202の他端側に結合していてもよい。このように両持ち支持構造を実現できるため、片持ち支持構造と比較して、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。   As described with reference to FIGS. 1, 2, and 5, the first torsion beam 101 is coupled to one end side of the first conductive member 201, and the second torsion beam 102 is connected to the first conductive member 201. It may be coupled to the other end side of the adhesive member 201. The third torsion beam 103 may be coupled to one end side of the second conductive member 202, and the fourth torsion beam 104 may be coupled to the other end side of the second conductive member 202. . Since the double-sided support structure can be realized in this way, the bending rigidity is higher than that of the cantilevered support structure, and the fluctuation of the scanning line in the sub-scanning direction can be easily suppressed.

図1、図2、図5を用いて説明したように、第1磁石群は、第1の捻り梁101に沿って配置された第1磁石601と、第4の捻り梁104に沿って配置された第4磁石604とを有していてもよい。第2磁石群は、第3の捻り梁103に沿って配置された第3磁石603と、第2の捻り梁102に沿って配置された第2磁石602とを有していてもよい。これらの磁石によって生じる磁界は捻り梁に流れる電流と作用して捻り振動の元になる力を発生させる。よって、振動部21には磁石を配置しなくて済むようになる。なお、磁石は永久磁石であってもよいし、電磁石であってもよい。   As described with reference to FIGS. 1, 2, and 5, the first magnet group is disposed along the first magnet 601 disposed along the first torsion beam 101 and the fourth torsion beam 104. The fourth magnet 604 may be included. The second magnet group may include a third magnet 603 disposed along the third twisted beam 103 and a second magnet 602 disposed along the second twisted beam 102. The magnetic field generated by these magnets acts on the current flowing in the torsion beam and generates a force that causes torsional vibration. Therefore, it is not necessary to arrange a magnet in the vibration part 21. The magnet may be a permanent magnet or an electromagnet.

図4を用いて説明したように、第1の捻り梁101は第1の導電性部材201の一端側に結合しており、第2の捻り梁102は第1の導電性部材201の一端側に結合していてもよい。また、第3の捻り梁103は第2の導電性部材202の一端側に結合しており、第4の捻り梁104は第2の導電性部材202の一端側に結合していてもよい。これにより片持ち支持構造を実現でき、両持ち支持構造と比較して振動素子のコンパクト化の点で有利である。片持ち支持構造は両持ち支持構造と比較すると振動の安定性の面で不利である。しかし、本実施例では4本の並行に配置された捻り梁を有しているため、2本の捻り梁で振動部を支持する振動素子よりは振動の安定化を図ることができる。図4を用いて説明したように、第1磁石群は、第1の捻り梁101および第2の捻り梁102に沿って配置された磁石を有し、第2磁石群は、第3の捻り梁103および第4の捻り梁104に沿って配置された磁石を有していてもよい。これにより磁石の本数を削減できる。   As described with reference to FIG. 4, the first torsion beam 101 is coupled to one end side of the first conductive member 201, and the second torsion beam 102 is one end side of the first conductive member 201. May be bonded to. The third torsion beam 103 may be coupled to one end side of the second conductive member 202, and the fourth torsion beam 104 may be coupled to one end side of the second conductive member 202. As a result, a cantilevered support structure can be realized, which is advantageous in terms of downsizing the vibration element as compared to the double-supported support structure. The cantilevered support structure is disadvantageous in terms of vibration stability compared to the double-supported support structure. However, since the present embodiment has four torsion beams arranged in parallel, the vibration can be stabilized more than the vibration element that supports the vibration part with two torsion beams. As described with reference to FIG. 4, the first magnet group includes magnets arranged along the first torsion beam 101 and the second torsion beam 102, and the second magnet group includes the third torsion beam 101. You may have the magnet arrange | positioned along the beam 103 and the 4th torsion beam 104. FIG. Thereby, the number of magnets can be reduced.

図1、図2、図4を用いて説明したように、第1電極501は圧電材401の第1面側に設けられており、第2電極502は圧電材401の第2面側に設けられていてもよい。また、図5を用いて説明したように第1電極501は圧電材401の第1面側に設けられており、第2電極502も圧電材401の第1面側に設けられていてもよい。後者の場合、圧電材401の第2面側に第3電極503が設けられる。3つの電極によって2つのコンデンサの直列回路が形成される。さらに、圧電材401のうち第1電極501と第3電極503とが対向している部分と、第2電極502と第3電極503とが対向している部分とでは、異なる方向に分極していてもよい。これは、第1電極501と第2電極502を電圧の印加対象電極とするために役に立つ。   As described with reference to FIGS. 1, 2, and 4, the first electrode 501 is provided on the first surface side of the piezoelectric material 401, and the second electrode 502 is provided on the second surface side of the piezoelectric material 401. It may be done. As described with reference to FIG. 5, the first electrode 501 may be provided on the first surface side of the piezoelectric material 401, and the second electrode 502 may also be provided on the first surface side of the piezoelectric material 401. . In the latter case, the third electrode 503 is provided on the second surface side of the piezoelectric material 401. Three electrodes form a series circuit of two capacitors. Further, the portion of the piezoelectric material 401 where the first electrode 501 and the third electrode 503 face each other and the portion where the second electrode 502 and the third electrode 503 face each other are polarized in different directions. May be. This is useful for setting the first electrode 501 and the second electrode 502 as voltage application target electrodes.

図1等に示したように第2の導電性部材202は、枠体などのフレームを有していてもよい。平板構造と比較してフレーム構造は軽量化の点で有利である。   As shown in FIG. 1 and the like, the second conductive member 202 may have a frame such as a frame. Compared with the flat plate structure, the frame structure is advantageous in terms of weight reduction.

なお、振動素子11〜13のいずれかと、振動素子11の第1の捻り梁101および第2の捻り梁102を介して圧電材401に駆動信号を供給する駆動回路801と、振動素子11のミラー部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11〜13を採用することで、安定した光り走査を実現できる。   Note that a drive circuit 801 that supplies a drive signal to the piezoelectric material 401 via any one of the vibration elements 11 to 13, the first torsion beam 101 and the second torsion beam 102 of the vibration element 11, and a mirror of the vibration element 11 There may be further provided an optical scanning device that includes a magnetic field generation unit 700 that generates a magnetic field that swings the unit, and that scans light from the light source by the mirror member 301. By employing the vibrating elements 11 to 13, stable light scanning can be realized.

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。   The drive circuit may generate a drive signal by superimposing a signal having a frequency f2 that is twice the rotational vibration frequency f1 of the mirror member 301 and a signal having a frequency f4 that is four times. Thereby, a substantially constant beam spot diameter can be obtained regardless of the position.

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。   The rotation angle of the mirror member 301 may be ± 20 degrees or more. This is effective in reducing power consumption while widening the scanning angle of the mirror section.

図11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11〜13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11〜13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。   As described with reference to FIG. 11, an image forming apparatus 7 includes an optical scanning device and an image carrier, and forms an image on the image carrier with light scanned by the optical scanning device. May be provided. The image forming apparatus 7 using the vibration elements 11 to 13 is less likely to cause disconnection or abnormal vibration, and can perform stable optical scanning and mirror curvature control. For this reason, the effects of constant speed and stabilization of the beam spot diameter are exhibited by optimizing the maximum scanning angle and optimizing the mirror curvature control signal. That is, highly accurate and reliable image formation is possible. Further, in the image forming apparatus 7 using the vibration elements 11 to 13, the lens optical system that corrects the variation in the scanning speed can be simplified. In addition, it is not necessary to correct the image data or the intensity modulation signal of the laser beam in order to cope with fluctuations in the scanning speed. Thereby, a small and inexpensive image forming apparatus can be realized.

図12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11〜13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13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11〜13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。
As described with reference to FIG. 12, an image projection apparatus 8 may be provided that projects an image on a screen with light scanned by the optical scanning apparatus. The image projection device 8 using any of the vibration elements 11 to 13 can perform stable optical scanning and mirror curvature control without causing disconnection or abnormal vibration. For this reason, it is possible to exhibit the effects of constant speed and stabilization of the beam spot diameter by optimizing the maximum scanning angle and optimizing the mirror curvature control signal. As a result, highly accurate and reliable image projection is possible. Further, in the image projection device 8, the beam spot diameter can be made substantially constant on the screen even by oblique projection by adjusting the mirror curvature control signal. As a result, a high-definition image projection device 8 that can be used in a limited space can be realized. As described with reference to FIG. 13, an optical pattern reading device 9 including an optical scanning device is provided. May be. The optical pattern reader 9 using any of the vibration elements 11 to 13 can perform stable optical scanning and mirror curvature control without causing disconnection or abnormal vibration. For this reason, it is possible to exhibit the effects of constant speed and stabilization of the beam spot diameter by optimizing the maximum scanning angle and optimizing the mirror curvature control signal. As a result, highly accurate and reliable reading is possible.

Claims (17)

第1電極および第2電極を有する圧電材と、
前記第1電極に結合した第1の導電性部材と、
前記第1の導電性部材に結合した導電性の第1の捻り梁および第2の捻り梁と、
前記第2電極に結合した第2の導電性部材と、
前記第2の導電性部材に結合した導電性の第3の捻り梁および第4の捻り梁と、
前記圧電材または前記第1の導電性部材に固定され、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、
前記圧電材は、前記第1の捻り梁、前記第2の捻り梁、前記第1の導電性部材および前記第1電極を含む給電パスと、前記第3の捻り梁、前記第4の捻り梁、前記第2の導電性部材および前記第2電極を含む給電パスとを通じて印加された電圧にしたがって変形することを特徴とする振動素子。
A piezoelectric material having a first electrode and a second electrode;
A first conductive member coupled to the first electrode;
A conductive first torsion beam and a second torsion beam coupled to the first conductive member;
A second conductive member coupled to the second electrode;
A conductive third torsion beam and a fourth torsion beam coupled to the second conductive member;
A mirror member fixed to the piezoelectric material or the first conductive member and having a curvature that varies with the deformation of the piezoelectric material;

Have
The piezoelectric material includes the first torsion beam, the second torsion beam, the power supply path including the first conductive member and the first electrode, the third torsion beam, and the fourth torsion beam. The vibrating element is deformed according to a voltage applied through a power supply path including the second conductive member and the second electrode.
前記第1の捻り梁は前記第1の導電性部材の一端側に結合しており、前記第2の捻り梁は前記第1の導電性部材の他端側に結合していることを特徴とする請求項1に記載の振動素子。   The first torsion beam is coupled to one end side of the first conductive member, and the second torsion beam is coupled to the other end side of the first conductive member. The vibrating element according to claim 1. 前記第3の捻り梁は前記第2の導電性部材の一端側に結合しており、前記第4の捻り梁は前記第2の導電性部材の他端側に結合し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。   The third torsion beam is coupled to one end side of the second conductive member, and the fourth torsion beam is coupled to the other end side of the second conductive member. The vibrating element according to claim 1. 前記第1の捻り梁に流れる電流と前記第4の捻り梁に流れる電流とに作用する磁界を発生する第1磁石群と、
前記第2の捻り梁に流れる電流と前記第3の捻り梁に流れる電流とに作用する磁界を発生する第2磁石群とを更に有し、
前記第1磁石群は、前記第1の捻り梁に沿って配置された第1磁石と、前記第4の捻り梁に沿って配置された第4磁石とを有し、
前記第2磁石群は、前記第3の捻り梁に沿って配置された第3磁石と、前記第2の捻り梁に沿って配置された第2磁石とを有することを特徴とする請求項2または3に記載の振動素子。
A first magnet group that generates a magnetic field that acts on a current flowing in the first torsion beam and a current flowing in the fourth torsion beam;
A second magnet group for generating a magnetic field acting on the current flowing in the second torsion beam and the current flowing in the third torsion beam;
The first magnet group includes a first magnet disposed along the first torsion beam, and a fourth magnet disposed along the fourth torsion beam.
The second magnet group includes a third magnet disposed along the third torsion beam and a second magnet disposed along the second torsion beam. Or the vibration element of 3.
前記第1の捻り梁は前記第1の導電性部材の一端側に結合しており、前記第2の捻り梁は前記第1の導電性部材の前記一端側に結合していることを特徴とする請求項1に記載の振動素子。   The first torsion beam is coupled to one end side of the first conductive member, and the second torsion beam is coupled to the one end side of the first conductive member. The vibrating element according to claim 1. 前記第3の捻り梁は前記第2の導電性部材の一端側に結合しており、前記第4の捻り梁は前記第2の導電性部材の前記一端側に結合していることを特徴とする請求項1または5に記載の振動素子。   The third torsion beam is coupled to one end side of the second conductive member, and the fourth torsion beam is coupled to the one end side of the second conductive member. The vibrating element according to claim 1 or 5. 前記第1の捻り梁に流れる電流と前記第4の捻り梁に流れる電流とに作用する磁界を発生する第1磁石群と、
前記第2の捻り梁に流れる電流と前記第3の捻り梁に流れる電流とに作用する磁界を発生する第2磁石群とを更に有し、
前記第1磁石群は、前記第1の捻り梁および前記第2の捻り梁に沿って配置された磁石を有し、
前記第2磁石群は、前記第3の捻り梁および前記第4の捻り梁に沿って配置された磁石を有することを特徴とする請求項5または6に記載の振動素子。
A first magnet group that generates a magnetic field that acts on a current flowing in the first torsion beam and a current flowing in the fourth torsion beam;
A second magnet group for generating a magnetic field acting on the current flowing in the second torsion beam and the current flowing in the third torsion beam;
The first magnet group includes magnets arranged along the first torsion beam and the second torsion beam,
The vibrating element according to claim 5, wherein the second magnet group includes magnets arranged along the third torsion beam and the fourth torsion beam.
前記第1電極は前記圧電材の第1面側に設けられており、前記第2電極は前記圧電材の第2面側に設けられていることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の振動素子。   The first electrode is provided on a first surface side of the piezoelectric material, and the second electrode is provided on a second surface side of the piezoelectric material. The vibration element according to item 1. 前記第1電極は前記圧電材の第1面側に設けられており、前記第2電極も前記圧電材の第1面側に設けられていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の振動素子。   The first electrode is provided on a first surface side of the piezoelectric material, and the second electrode is also provided on a first surface side of the piezoelectric material. The vibration element according to item 1. 前記圧電材の第2面側に設けられた第3電極をさらに有していることを特徴とする請求項9に記載の振動素子。   The vibration element according to claim 9, further comprising a third electrode provided on the second surface side of the piezoelectric material. 前記圧電材のうち前記第1電極と前記第3電極とが対向している部分と、前記第2電極と前記第3電極とが対向している部分とでは、異なる方向に分極していることを特徴とする請求項10に記載の振動素子。   Of the piezoelectric material, the portion where the first electrode and the third electrode face each other and the portion where the second electrode and the third electrode face each other are polarized in different directions. The vibration element according to claim 10. 請求項1ないし11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、第2の捻り梁、第3の捻り梁および第4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。
The vibration element according to any one of claims 1 to 11,
A drive circuit for supplying a drive signal to the piezoelectric material via the first torsion beam, the second torsion beam, the third torsion beam, and the fourth torsion beam of the vibration element;
And a magnetic field generation unit that generates a magnetic field for oscillating the mirror unit of the vibration element, and scans light from a light source with the mirror unit.
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12に記載の光走査装置。   13. The optical scanning according to claim 12, wherein the drive circuit generates the drive signal by superimposing a signal having a frequency twice as high as a rotational vibration frequency of the mirror unit and a signal having a frequency four times as high as that of the mirror unit. apparatus. 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12または13に記載の光走査装置。   14. The optical scanning device according to claim 12, wherein a rotation angle of the mirror unit is ± 20 degrees or more. 請求項12ないし14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。   An image projection apparatus comprising the optical scanning device according to claim 12, wherein an image is projected onto a screen by light scanned by the optical scanning device. 請求項12ないし14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。   15. An image forming apparatus comprising: the optical scanning device according to claim 12; and an image carrier, wherein an image is formed on the image carrier by light scanned by the optical scanning device. apparatus. 請求項12ないし14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。   An optical pattern reading device comprising the optical scanning device according to claim 12.
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JP2016045321A (en) * 2014-08-21 2016-04-04 株式会社デンソー Optical scanner
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015210448A (en) * 2014-04-28 2015-11-24 キヤノン電子株式会社 Vibration element, optical scanner, image forming apparatus, image projection device, and optical pattern reading device
JP2016045321A (en) * 2014-08-21 2016-04-04 株式会社デンソー Optical scanner
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