JP2015210455A - 振動素子、光走査装置、画像形成装置、画像投影装置および読み取り装置 - Google Patents
振動素子、光走査装置、画像形成装置、画像投影装置および読み取り装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】共振周波数の補正が可能な振動素子を提供する。【解決手段】振動素子は、導電性部材を有する複数の振動部(例:ミラー部21、第1振動部31)と、複数の振動部を同一の回転軸に対して回転振動可能に支持し、かつ、導電性を有する複数の捻りばね(例:第1の捻り梁101、第2の捻り梁102、第3の捻り梁103)と、複数の捻りばねの温度を調整してばね定数および共振周波数を調整する熱源(例:第1の捻り梁101、第2の捻り梁102、第3の捻り梁103の電気抵抗やヒータなど)を有している。【選択図】図1A
Description
本発明は、光の走査などに用いられる振動素子に関する。
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(走査周波数)で駆動される。走査光の角度変化または角速度変化はサイン関数となる。これに対して、走査周波数の振動に、走査周波数の2倍や3倍などの整数倍の周波数の振動を加えることで、走査光の角速度の等速性を改善する提案がなされている(特許文献1)。特許文献1では、それぞれ異なる共振周波数の2つの回転振動モードを持つ振動素子において、一方の共振周波数が走査周波数に設定され、他方の共振周波数が走査周波数の偶数倍に設定されている。
簡易なプロセスで作製することができ、また、耐衝撃性に優れるという利点から、各種の金属材料を用いて振動素子を作成することができる。
ところで、複数の回転振動モードを有する振動素子で等速性を改善するには、振動素子の共振周波数を、走査周波数とそれの整数倍の周波数に正確に合わせる必要がある。しかし、金属材料を用いた振動素子では加工によるばらつきが大きく、加工後のトリミングなどによる共振周波数の調整は非常に面倒な追加作業となる。また、誤差の大きい振動素子では調整自体が不可能になりうる。
さらに、金属材料はシリコンなどの材料に比べてヤング率の温度依存性が大きいため、使用環境の変動により共振周波数が大きく変化するという問題がある。駆動周波数と共振周波数が大きく乖離すると、消費電力が増大してしまう。共振周波数の変動に合わせて駆動周波数を変化させると、特に画像形成などにおいて画像の歪みが生じる。
そこで、本発明は、共振周波数の補正が可能な振動素子を提供することを目的とする。また、本発明の他の目的は、環境に依らず安定した光走査が可能な光走査装置を提供することにある。
本発明は、たとえば、
ミラー部と、
導電性部材を有する第1振動部と、
前記ミラー部と前記第1振動部とを回転振動可能に支持する第1の捻りばねと、
前記第1振動部を回転振動可能に支持し、導電性を有する2つ以上の梁を有する第2の捻りばねと
を有する振動素子であって、
第1の回転振動モードと、
前記第1の回転振動モードの共振周波数に対して整数倍の共振周波数を有する第2の回転振動モードと
を有し、
前記第2の捻りばねを構成する前記2つ以上の梁には、前記第1の捻りばねのばね定数と前記第2の捻りばねのばね定数の比を調整するための電流が流されることを特徴とする振動素子を提供する。
ミラー部と、
導電性部材を有する第1振動部と、
前記ミラー部と前記第1振動部とを回転振動可能に支持する第1の捻りばねと、
前記第1振動部を回転振動可能に支持し、導電性を有する2つ以上の梁を有する第2の捻りばねと
を有する振動素子であって、
第1の回転振動モードと、
前記第1の回転振動モードの共振周波数に対して整数倍の共振周波数を有する第2の回転振動モードと
を有し、
前記第2の捻りばねを構成する前記2つ以上の梁には、前記第1の捻りばねのばね定数と前記第2の捻りばねのばね定数の比を調整するための電流が流され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、電流を流して複数の捻りばねの温度を調節することで共振周波数(ばね定数)の補正が可能となる。
[光走査装置]
図1Aは光走査装置1を例示している。図1Bは振動素子11の構成を例示している。振動素子11は、振動部としても機能するミラー部21と、ミラー部21の片側に配置された第1振動部31を有している。ミラー部21は、導電性を有する第1の捻り梁101によって揺動(回転振動)可能に支持されている。第1の捻り梁101の一端はミラー部21の一部を構成する保持部材201に接続されており、第1の捻り梁101の他端は第1振動部31の一部を構成する第1導電性部材211に接続されている。第1の捻り梁101は第1の捻りばねを形成している。第2の捻り梁102の一端も第1導電性部材211に接続されており、第2の捻り梁102の他端は光走査装置1の筐体などに固定されている。第3の捻り梁103の一端も第1導電性部材211に接続されており、第3の捻り梁103の他端は光走査装置1の筐体などに固定されている。第2の捻り梁102および第3の捻り梁103はともに導電性を有し、第2の捻りばねを形成している。第1導電性部材211の第1面側には第1磁石601が固定されており、第1導電性部材211の第2面側には第2磁石602が固定されている。なお、第1導電性部材211、第1磁石601、第2磁石602の各形状は同一形状である。これにより量産効果を高めることができる。振動素子11の回転軸方向に沿って並行に配置された第2の捻り梁102および第3の捻り梁103は同一のばね定数を有している。
図1Aは光走査装置1を例示している。図1Bは振動素子11の構成を例示している。振動素子11は、振動部としても機能するミラー部21と、ミラー部21の片側に配置された第1振動部31を有している。ミラー部21は、導電性を有する第1の捻り梁101によって揺動(回転振動)可能に支持されている。第1の捻り梁101の一端はミラー部21の一部を構成する保持部材201に接続されており、第1の捻り梁101の他端は第1振動部31の一部を構成する第1導電性部材211に接続されている。第1の捻り梁101は第1の捻りばねを形成している。第2の捻り梁102の一端も第1導電性部材211に接続されており、第2の捻り梁102の他端は光走査装置1の筐体などに固定されている。第3の捻り梁103の一端も第1導電性部材211に接続されており、第3の捻り梁103の他端は光走査装置1の筐体などに固定されている。第2の捻り梁102および第3の捻り梁103はともに導電性を有し、第2の捻りばねを形成している。第1導電性部材211の第1面側には第1磁石601が固定されており、第1導電性部材211の第2面側には第2磁石602が固定されている。なお、第1導電性部材211、第1磁石601、第2磁石602の各形状は同一形状である。これにより量産効果を高めることができる。振動素子11の回転軸方向に沿って並行に配置された第2の捻り梁102および第3の捻り梁103は同一のばね定数を有している。
保持部材201の第1面側には第1ミラー部材301が固定されており、第2面側には第2ミラー部材302が固定されている。この例ではミラー部21は両側にミラー面を有している。もちろん、第2ミラー部材302が第1ミラー部材301と同じ質量の単なる質量体であってもよい。駆動回路801から供給される駆動信号によって磁界発生部701が磁界を発生する。この磁界が2つの磁石に作用することで、3本の梁によって構成された捻り梁に捻り変形が発生する。これによってミラー部21の方向(第1ミラー部材301および第2ミラー部材302の各ミラー面の法線方向)が変化し、光走査が行われる。
図2(a)は振動素子11が静止した状態を示している。図2(b)は振動素子11のミラー部21と第1振動部31が同相で回転振動する同相モードを示している。図2(c)はミラー部21と第1振動部31が逆相で回転振動する逆相モードを示している。通常、逆相モードの共振周波数(第2共振周波数f2)のほうが同相モードの共振周波数(第1共振周波数f1)よりも高くなる。このように振動素子11は2つの共振周波数(回転振動モード)を有している。振動素子11では、同相モードの共振周波数が光走査周波数近傍に設定される。逆相モードの共振周波数f2は同相モードの共振周波数f1の整数倍となるように設定される。つまり、振動素子11は、これらの共振周波数f1、f2を持つように、ミラー部21および第1振動部31の各慣性モーメントと捻り梁のばね定数を調整される。駆動回路801は、光走査周波数に一致した周波数の信号と光走査周波数の整数倍の周波数の信号とを適当な振幅比率で重畳することで駆動信号を生成し、磁界発生部701に印加する。これにより、振動素子11の振動は、同相モードの振動に逆相モードの振動が重畳したものとなる。
図3(a)に示すように、第2の捻り梁102と第3の捻り梁103は第1導電性部材211を通じて電気的に直列に接続され、駆動回路802から通電がなされる。第1の捻り梁101のばね定数をk1、並行して配置された第2の捻り梁102と第3の捻り梁103の合成ばね定数をk2とする。駆動回路802は、第2の捻り梁102、第1導電性部材211および第3の捻り梁103で形成される直列回路に電流I2を通電する。第2の捻り梁102と第3の捻り梁103は自身の抵抗により発熱するため、ばね定数k2は低下する。このとき第1の捻り梁101には、第2の捻り梁102と第3の捻り梁103で発生した熱が伝わりにくいため、第1の捻り梁101のばね定数をk1はほとんど変化しない。
図3(b)は、振動素子11についてばね定数k2を変化させたときの共振周波数の変化を示している。逆相モードの共振周波数f2が同相モードの共振周波数f1の2倍になるように、ミラー部21と第1振動部31の慣性モーメントとばね定数k1、k2が設定されている。横軸は適正値k2oに対するk2の変化率を示している。縦軸は共振周波数f1o、f2oを基準としたf1、f2の変化率を示している。共振周波数f1oは、k2が適正値k2oを取るときの同相モードの共振周波数である。共振周波数f2oは、k2が適正値k2oを取るときの逆相モードの共振周波数である。図3(b)は、共振周波数f1、f2の比率の変化も併せて示している。
ばね定数k1を変化させずにばね定数k2のみを変化させると、共振周波数f1、f2の変化率には差異が生じる。つまり、ばね定数k2の変化に応じて共振周波数f1、f2の比率が変化する。駆動回路802は第2の捻り梁102と第3の捻り梁103に電流I2を通電することによりばね定数k2を変化させて、共振周波数f1、f2の比率を正確にn倍(例:2倍)に調整することができる。
なお、通電によるばね定数の変化は減少方向である。これは、通電による温度上昇によってヤング率が低下するからである。そこで、ばね定数k2を予め大きめに、すなわち、第2の捻り梁102と第3の捻り梁103をプラス公差で太めに形成しておくことで、通電により容易に同相モードと逆相モードの共振周波数の比率を整数倍に調整することが可能となる。
ところで、駆動回路802は温度などの環境変化に応じて駆動信号を調整してもよい。駆動回路802は環境温度を測定するセンサを有していてもよい。この場合、測定された温度に対応する電流値(駆動信号の振幅)は予め関数化されていてもよいし、テーブル化されていてもよい。これらを利用して駆動回路802は測定温度に対応した駆動信号の振幅を決定してもよい。第2の捻り梁102および第3の捻り梁103はいずれも同じ断面積を有している。断面とは、xy平面と平行な、つまり、z軸と直交する断面である。2本の梁は全域(長さ方向の一端から他端まで)で同じ断面積を有しているため、2本の梁の各部の抵抗(梁自身の抵抗)で発生する熱量も等しい。よって、2本の梁の各部の温度上昇もほぼ等しくなる。上述したようにヤング率は温度依存性を有している。よって、2本の梁の各部での温度上昇が等しければ、ヤング率の低下量も等しくなる。また、2本の梁についてはばね定数も等しく変化する。つまり、2本の梁に流れる電流を制御することにより、2本の梁の各ばね定数を同時に調整することができる。これにより、同相モードの共振周波数と逆相モードの共振周波数は同じ比率を保ったままこれらの共振周波数が補正される。
2本の梁の各断面形状は同じ断面積を持てば特に限定されるものではない。2本の梁の素材の電気抵抗率が等しければ、抵抗は断面積によって決定されるからである。なお、断面形状は、正方形または円形に近い方が異常振動などを生じ難い。一方で、断面形状を偏平な形状にした方が同じばね定数でも表面に加わる最大応力を下げることができる。そのため、捻り梁の耐久性を重視する場合は、第2の捻り梁102の断面形状と第3の捻り梁103の断面形状を偏平な形状(例:長方形やひし形、楕円形など)としてもよい。ただし、断面を構成する2つの辺の比(縦サイズと横サイズとの比)が3倍を超えると異常振動が発生しやすくなることがわかっている。そのため、縦横比は3倍以下に抑えるのが好ましい。
2本の梁に共通の電流を流して2本の梁の各温度変化を均一にすることで、金属材料を用いても環境変化に応じた共振周波数補正が実現可能となる。つまり、雰囲気温度に依存せずに2本の梁の温度を一定温度に維持できれば、ばね定数が一定値に維持される。よって、2本の梁にヒータ(熱線)を這わせて2本の梁の温度が一定に維持されてもよい。
図4Aに他の構成の振動素子12を有する光走査装置1を示す。また、図4Bに振動素子12の構成例を示す。振動素子12は、片持ち構造の振動素子11を両持ち構造に変形したものである。振動素子12のうち振動素子11と共通する部分については同一の参照符号を付与することにより説明を簡明化する。
振動素子12は、ミラー部21と、ミラー部21の片側に配置された第1振動部31と、ミラー部21の別の片側に配置された第2振動部32を有している。ミラー部21は、第1の捻り梁101と第4の捻り梁104によって揺動(回転振動)可能に支持されている。第4の捻り梁104の一端はミラー部21の一部を構成する保持部材201に接続されており、第4の捻り梁104の他端は第2振動部32の一部を構成する第2導電性部材212に接続されている。第4の捻り梁104は第3の捻りばねを形成している。第5の捻り梁105の一端も第2導電性部材212に接続されており、第5の捻り梁105の他端は光走査装置1の筐体などに固定されている。第6の捻り梁106の一端も第2導電性部材212に接続されており、第6の捻り梁106の他端は光走査装置1の筐体などに固定されている。第5の捻り梁105および第6の捻り梁106はともに導電性を有する第4の捻りばねを形成している。第2導電性部材212の第1面側には第3磁石603が固定されており、第2導電性部材212の第2面側には第4磁石604が固定されている。なお、第2導電性部材212、第3磁石603、第4磁石604の各形状は同一形状である。これにより量産効果を高めることができる。振動素子12の回転軸方向に沿って並行に配置された第5の捻り梁105および第6の捻り梁106は同一のばね定数を有している。なお、振動素子12における第1振動部31などの構成と第2振動部32などの構成は基本的に共通している。
振動素子12においては第1の捻り梁101と第4の捻り梁104は導電性部材である保持部材201を通じて電気的に接続されている。振動素子12についての回転振動の励起は振動素子11のそれと同様である。
図5(a)は振動素子12が静止した状態を示している。図5(b)は振動素子12のミラー部21と第1振動部31および第2振動部32とが同相で回転振動する同相モードを示している。図5(c)はミラー部21と第1振動部31および第2振動部32とが逆相で回転振動する逆相モードを示している。通常、逆相モードの共振周波数(第2共振周波数f2)のほうが同相モードの共振周波数(第1共振周波数f1)よりも高くなる。このように振動素子12は2つの共振周波数(回転振動モード)を有している。振動素子12では、同相モードの共振周波数f1が光走査周波数近傍に設定される。逆相モードの共振周波数f2は同相モードの共振周波数f1の整数倍となるように設定される。つまり、振動素子12は、これらの共振周波数f1、f2を持つように、ミラー部21、第1振動部31および第2振動部32の各慣性モーメントと捻り梁のばね定数が設計されている。ただし、上述した部品の製造誤差によりこれらにはばらつきが生じする。駆動回路801は、光走査周波数に一致した周波数の信号と光走査周波数の整数倍の周波数の信号とを適当な振幅比率で重畳することで駆動信号を生成し、磁界発生部701に印加する。これにより、振動素子12の振動状態は、同相モードの振動に逆相モードの振動が重畳したものとなる。
図6(a)および図6(b)は、振動素子12における通電の一例を示している。駆動回路803は、第2の捻り梁102、第3の捻り梁103、第5の捻り梁105および第6の捻り梁106に接続している。駆動回路803は、第2の捻り梁102に電圧V1の駆動信号を印加し、第3の捻り梁103に電圧V2の駆動信号を印加し、第5の捻り梁105に電圧V3の駆動信号を印加し、第6の捻り梁106に電圧V4の駆動信号を印加する。図7に示すように、電圧V1、V2、V3、V4は振幅±ΔVのパルス状(矩形)の交流信号である。図7が示すように、電圧V1、V2、V3、V4はそれぞれ2つの値をとる。電圧V1はV+ΔVまたはV−ΔVとなる。電圧V2はV−ΔVまたはV+ΔVとなる。電圧V3は−V+ΔVまたは−V−ΔVとなる。電圧V4は−V−ΔVまたは−V+ΔVとなる。これにより、振動素子12の通電状態は図6(a)が示す第1状態と、図6(b)が示す第2状態とを交互に繰り返す。
ミラー部21を支持する第1の捻り梁101および第4の捻り梁104には電流I1が通電される。第3の捻り梁103、第4の捻り梁104、第5の捻り梁105、第6の捻り梁106には、電流[(I1/2)+I2]と電流[(I1/2)−I2]とが交互に通電される。第1の捻り梁101および第4の捻り梁104の単位長さ当りの抵抗をR1とする。第3の捻り梁103、第4の捻り梁104、第5の捻り梁105、第6の捻り梁106の抵抗をR2とする。これにより振動素子12で発生する単位長さ当りのジュール熱は、第1の捻り梁101および第4の捻り梁104でR1・I1^2となり、第3の捻り梁103、第4の捻り梁104、第5の捻り梁105、第6の捻り梁106でR2・{I2^2+(I1/2)^2}となる。つまり、第1の捻り梁101および第4の捻り梁104の各ばね定数は電流I1の大きさに応じて変化する。第3の捻り梁103と第4の捻り梁104とで構成される合成ばね定数k2と、第5の捻り梁105と第6の捻り梁106とで構成される合成ばね定数k2は電流I1と電流I2の両方に応じて変化する。電流I1は電圧Vに比例し、電流I2はΔVに比例する。そのため、駆動回路803からの駆動信号の振幅ΔVとオフセット電圧Vの大きさを適当に調整することで、ばね定数k1、k2の大きさを調整することが可能となる。
第1の捻り梁101および第4の捻り梁104の単位長さ当りの発熱量と、第3の捻り梁103、第4の捻り梁104、第5の捻り梁105、第6の捻り梁106の単位長さ当りの発熱量とを変えてばね定数k1、k2の比率を変えれば、同相モードと逆相モードの共振周波数f1、f2の比率を変化させることができる。つまり、振動素子12を構成するいずれかの金属材料の部品にバラつきが生じたとしても、共振周波数f2を正確に共振周波数f1の整数倍になるように調整することが可能となる。また、この状態を基準としてばね定数k1、k2を同じ比率で変化するように駆動信号を調整すれば、共振周波数f1、f2の比率を整数倍に維持したまま、共振周波数f1、f2を所望の値まで変化させることも可能である。図7が示す駆動信号はあくまでも一例にすぎない。第3の捻り梁103と第4の捻り梁104との間に同じ交流信号が印加され、第5の捻り梁105と第6の捻り梁106との間にも同じ交流信号が印加されていればよい。
[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、12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。振動素子11、12では、Q値の高い材料を用いても共振周波数を適正値に調整することが可能であり、Co-Ni基合金の利点を有効に活かせる。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。
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、12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。振動素子11、12では、Q値の高い材料を用いても共振周波数を適正値に調整することが可能であり、Co-Ni基合金の利点を有効に活かせる。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、第1導電性部材211および第2導電性部材212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。
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601〜604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。
[画像形成装置]
図8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、12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。
図8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、12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。
このように振動素子11、12のいずれかを用いた画像形成装置は、環境温度の変化に応じて共振周波数を補正できるため、安定した光走査を実現できる。これにより高精度な画像形成が可能である。
[画像形成装置]
図9(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、12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9(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。
図9(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、12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9(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、12のいずれかを用いた画像投影装置8は、環境温度の変化に応じて共振周波数を補正できるため、安定した光走査を実現できる。これにより高精度な画像投影が可能である。
[光学パターン読み取り装置]
図10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、12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。
図10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、12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。
このように振動素子11、12のいずれかを用いた光学パターン読み取り装置9は、環境温度の変化に応じて共振周波数を補正できるため、安定した光走査を実現できる。これにより高精度な画像の読み取りが可能である。
[まとめ]
振動素子を駆動するにあたっては、駆動信号の周波数と振動素子の共振周波数が一致していないと、消費電力の増大を招く。また、回転振動の励起が困難になることもあろう。特に、Q値が高い材料を用いられた捻り梁の周波数特性は尖鋭な周波数特性となり、駆動周波数と共振周波数には高い精度の一致が求められる。複数の回転振動モードを有する振動素子ではこの要求はさらに厳しくなる。走査周波数とそれの整数倍の周波数を含む信号で駆動を行う際に、走査周波数と共振周波数が一致していたとしても、その整数倍の周波数と共振周波数が一致していなければ、整数倍の周波数の振動励起が困難になり、等速性の改善が図れない。
振動素子を駆動するにあたっては、駆動信号の周波数と振動素子の共振周波数が一致していないと、消費電力の増大を招く。また、回転振動の励起が困難になることもあろう。特に、Q値が高い材料を用いられた捻り梁の周波数特性は尖鋭な周波数特性となり、駆動周波数と共振周波数には高い精度の一致が求められる。複数の回転振動モードを有する振動素子ではこの要求はさらに厳しくなる。走査周波数とそれの整数倍の周波数を含む信号で駆動を行う際に、走査周波数と共振周波数が一致していたとしても、その整数倍の周波数と共振周波数が一致していなければ、整数倍の周波数の振動励起が困難になり、等速性の改善が図れない。
そこで、本実施例では振動素子11、12によって等速性を改善している。図1Aないし図7を用いて説明したように、振動素子11、12は、ミラー部21と、導電性部材を有する第1振動部31と、ミラー部21と第1振動部31とを回転振動可能に支持する第1の捻りばね(例:第1の捻り梁101)と、第1振動部31を回転振動可能に支持し、導電性を有する2つ以上の梁(例:第2の捻り梁102、第3の捻り梁103)を有する第2の捻りばねとを有している。さらに、振動素子11、12は、第1の回転振動モード(例:同相モード)と、第1の回転振動モードの共振周波数f1に対して整数倍の共振周波数f2を有する第2の回転振動モード(例:逆相モード)とを有している。とりわけ、第2の捻りばねを構成する2つ以上の梁には、第1の捻りばねのばね定数k1と第2の捻りばねのばね定数k2の比を調整するための電流が流される。上述したように、第1の捻りばねのばね定数k1と第2の捻りばねのばね定数k2の比と、第1の回転振動モードの共振周波数f1と第2の回転振動モードの共振周波数f2の比とには相関関係がある。そのため、通電によって第2の捻りばねを構成する2つ以上の梁を熱源として機能させ、第2の捻りばねのばね定数k2を変化させて、共振周波数を補正することが可能となる。つまり、共振周波数を適切な値に補正することで等速性が改善される。
このように、振動素子11、12によれば、複数の振動部を支持する複数の捻り梁に異なる通電を行うことで発熱量を制御して、その結果として複数の捻り梁のヤング率(ばね定数)を別個に変化させることができる。このため、加工精度の低い金属材料を用いた振動素子であっても、共振周波数の補正のための面倒なトリミングなどの追加作業を簡略化することができる。
振動素子12は、たとえば、導電性部材を有する第2振動部32と、ミラー部21と第2振動部32とを回転振動可能に支持し、導電性をする第3の捻りばね(例:第4の捻り梁104)と、第2振動部32を回転振動可能に支持し、導電性を有する2つ以上の梁(例:第5の捻り梁105、第6の捻り梁106)を有する第4の捻りばねとをさらに有する両持ち構造の振動素子である。ミラー部21は、ミラー部材301と当該ミラー部材301を保持する導電性の保持部材201を有していてもよい。上述した第1の捻りばね(例:第1の捻り梁101)も導電性を有している。図6を用いて説明したように、第1の捻りばね、第2の捻りばね、第3の捻りばねおよび第4の捻りばねは電気的に接続されており、導通している。駆動回路803が第1の捻りばね、第2の捻りばね、第3の捻りばねおよび第4の捻りばねに電流を流すことで、第1の捻りばねのばね定数k1と第2の捻りばねのばね定数k2の比と、第3の捻りばねのばね定数k1と第4の捻りばねのばね定数k2の比とが調整される。その結果、共振周波数f1、f2の比が補正される。
振動素子11では駆動回路802が、第2の捻りばねを構成する2つの梁に電流I2を流して、第1の回転振動モードの共振周波数と第2の回転振動モードの共振周波数との比を調整してもよい。振動素子12では駆動回路803が第2の捻りばねを構成する2つの梁と第4の捻りばねを構成する2つの梁にそれぞれ電流I2を流して、第1の回転振動モードの共振周波数と第2の回転振動モードの共振周波数との比を調整してもよい。図6や図7を用いて説明したように、駆動回路803は、第2の捻りばねを構成する2つの梁の間に交流信号を印加するとともに、第4の捻りばねを構成する2つの梁の間に交流信号を印加してもよい。たとえば、第2の捻りばねを構成する2つの梁のうち一方の梁にはV+ΔVとV−ΔVとの間で振幅が変化する矩形の交流信号が印加され、第2の捻りばねを構成する2つの梁のうち他方の梁にはV−ΔVとV+ΔVとの間で振幅が変化する矩形の交流信号が印加され、第4の捻りばねを構成する2つの梁のうち一方の梁には−V+ΔVと−V−ΔVとの間で振幅が変化する矩形の交流信号が印加され、第4の捻りばねを構成する2つの梁のうち他方の梁には−V−ΔVと−V+ΔVとの間で振幅が変化する矩形の交流信号が印加されてもよい。ここで、第1の捻りばねおよび第3の捻りばねに流れる電流I1はVに比例し、電流I2はΔVに比例する。駆動回路803は、たとえば、VとΔVを調整することで、第1の捻りばねと第3の捻りばねの各ばね定数k1と第2の捻りばねと第4の捻りばねの各ばね定数k2との比を調整して第1の回転振動モードの共振周波数と第2の回転振動モードの共振周波数との比を調整してもよい。このように駆動回路803が通電する駆動信号を補正することで、通電による単位長さ当りの発熱量を全ての捻り梁で等しくしてばね定数の変化の割合を合わせてもよい。また、回転振動モードの共振周波数f1、f2の比率を変化させることなく、共振周波数f1、f2を補正することも可能となる。たとえば、環境変化(環境温度)に応じて共振周波数f1、f2を補正することが可能となる。
第2の捻りばねを構成する2つの梁(例:第2の捻り梁102、第3の捻り梁103)は振動素子11の回転軸に沿って並行に配置されている。よって、振動素子11は副走査方向に振動しにくくなり、主走査方向において安定して走査を行うことができる。振動素子12に関しては、さらに第4の捻りばねを構成する2つの梁(例:第5の捻り梁105、第6の捻り梁106)が振動素子12の回転軸に沿って並行に配置されている。これにより、振動素子12についても同様の効果を期待できる。
振動素子11、12では、第1振動部31の第1面側には第1磁石601が取り付けられており、第1振動部31の第2面側には第2磁石602が取り付けられている。つまり回転軸に対して対称に質量体が取り付けられているため、第1振動部31を安定して回転振動させやすくなる。振動素子12では、第2振動部32の第1面側には第3磁石603が取り付けられており、第2振動部32の第2面側には第4磁石604が取り付けられている。つまり回転軸に対して対称に質量体が取り付けられているため、第2振動部32を安定して回転振動させやすくなる。
なお、第2の捻り梁102、第3の捻り梁103、第5の捻り梁105、第6の捻り梁106の断面積や断面形状は基本的に等しい(ただし、製造誤差を除く)。第1の捻り梁101と第4の捻り梁104も同様である。
振動素子11、12を採用することで、環境に依らず安定した光走査が可能な光走査装置1が実現される。光走査装置1を画像形成装置に採用することで、高精度な画像形成が可能となる。光走査装置1を画像投影装置に採用することで、高精度な画像投影が可能となる。光走査装置1を光学パターン読み取り装置に採用することで、高精度な読み取りが可能となる。
Claims (16)
- ミラー部と、
導電性部材を有する第1振動部と、
前記ミラー部と前記第1振動部とを回転振動可能に支持する第1の捻りばねと、
前記第1振動部を回転振動可能に支持し、導電性を有する2つ以上の梁を有する第2の捻りばねと
を有する振動素子であって、
第1の回転振動モードと、
前記第1の回転振動モードの共振周波数に対して整数倍の共振周波数を有する第2の回転振動モードと
を有し、
前記第2の捻りばねを構成する前記2つ以上の梁には、前記第1の捻りばねのばね定数と前記第2の捻りばねのばね定数の比を調整するための電流が流されることを特徴とする振動素子。 - 前記振動素子は、
導電性部材を有する第2振動部と、
前記ミラー部と前記第2振動部とを回転振動可能に支持し、導電性をする第3の捻りばねと、
前記第2振動部を回転振動可能に支持し、導電性を有する2つ以上の梁を有する第4の捻りばねと
をさらに有する両持ち構造の振動素子であり、
前記ミラー部は、ミラー部材と当該ミラー部材を保持する導電性の保持部材とを有し、
前記第1の捻りばねは導電性を有し、
前記第1の捻りばね、前記第2の捻りばね、前記第3の捻りばねおよび前記第4の捻りばねは電気的に接続されており、前記第1の捻りばね、前記第2の捻りばね、前記第3の捻りばねおよび前記第4の捻りばねに電流を流すことで、前記第1の捻りばねのばね定数と前記第2の捻りばねのばね定数の比と、前記第3の捻りばねのばね定数と前記第4の捻りばねのばね定数の比とが調整されることを特徴とする請求項1に記載の振動素子。 - 前記第2の捻りばねを構成する2つの梁に電流I2を流して、前記第1の回転振動モードの共振周波数と前記第2の回転振動モードの共振周波数との比を調整する駆動回路をさらに有す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。
- 前記第2の捻りばねを構成する2つの梁と前記第4の捻りばねを構成する2つの梁にそれぞれ電流I2を流して、前記第1の回転振動モードの共振周波数と前記第2の回転振動モードの共振周波数との比を調整する駆動回路をさらに有することを特徴とする請求項2に記載の振動素子。
- 前記駆動回路は、前記第2の捻りばねを構成する2つの梁の間に交流信号を印加するとともに、前記第4の捻りばねを構成する2つの梁の間に交流信号を印加することを特徴とする請求項4に記載の振動素子。
- 前記第2の捻りばねを構成する2つの梁のうち一方の梁にはV+ΔVとV−ΔVとの間で振幅が変化する矩形の交流信号が印加され、
前記第2の捻りばねを構成する2つの梁のうち他方の梁にはV−ΔVとV+ΔVとの間で振幅が変化する矩形の交流信号が印加され、
前記第4の捻りばねを構成する2つの梁のうち一方の梁には−V+ΔVと−V−ΔVとの間で振幅が変化する矩形の交流信号が印加され、
前記第4の捻りばねを構成する2つの梁のうち他方の梁には−V−ΔVと−V+ΔVとの間で振幅が変化する矩形の交流信号が印加されることを特徴とする請求項5に記載の振動素子。 - 前記第1の捻りばねおよび前記第3の捻りばねに流れる電流I1はVに比例し、
前記電流I2はΔVに比例することを特徴とする請求項6に記載の振動素子。 - 前記駆動回路は、VとΔVを調整することで、前記第1の捻りばねと前記第3の捻りばねの各ばね定数k1と前記第2の捻りばねと前記第4の捻りばねの各ばね定数k2との比を調整して前記第1の回転振動モードの共振周波数と前記第2の回転振動モードの共振周波数との比を調整することを特徴とする請求項7に記載の振動素子。
- 前記第2の捻りばねを構成する2つの梁は前記振動素子の回転軸に沿って並行に配置されていることを特徴とする請求項1ないし8のいずれか1項に記載の振動素子。
- 前記第4の捻りばねを構成する2つの梁は前記振動素子の回転軸に沿って並行に配置されていることを特徴とする請求項2、4ないし8のいずれか1項に記載の振動素子。
- 前記第1振動部の第1面側には第1磁石が取り付けられており、
前記第1振動部の第2面側には第2磁石が取り付けられていることを特徴とする請求項1ないし10のいずれか1項に記載の振動素子。 - 前記第2振動部の第1面側には第3磁石が取り付けられており、
前記第2振動部の第2面側には第4磁石が取り付けられていることを特徴とする請求項2、4ないし8のいずれか1項に記載の振動素子。 - 請求項1ないし12のいずれか1項に記載された振動素子と、
前記振動素子によって走査される光を出力する光源と
を有することを特徴とする光走査装置。 - 請求項13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。
- 請求項13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。
- 請求項13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光学パターンを読み取ることを特徴とする光学パターン読み取り装置。
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JP (1) | JP2015210455A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102016012784A1 (de) | 2015-10-27 | 2017-04-27 | Suzuki Motor Corporation | Motorrad und Fahrzeug mit Fahrsattel |
DE102016220934A1 (de) * | 2016-10-25 | 2018-04-26 | Carl Zeiss Microscopy Gmbh | Die Erfindung betrifft ein resonant anregbares Bauteil, einen Resonanzscanner mit einem solchen Bauteil sowie ein Verfahren zum Betrieb eines resonant anregbaren Bauteils |
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2014
- 2014-04-28 JP JP2014093163A patent/JP2015210455A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102016012784A1 (de) | 2015-10-27 | 2017-04-27 | Suzuki Motor Corporation | Motorrad und Fahrzeug mit Fahrsattel |
DE102016220934A1 (de) * | 2016-10-25 | 2018-04-26 | Carl Zeiss Microscopy Gmbh | Die Erfindung betrifft ein resonant anregbares Bauteil, einen Resonanzscanner mit einem solchen Bauteil sowie ein Verfahren zum Betrieb eines resonant anregbaren Bauteils |
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