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

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。

特許第４０２７３５９号公報

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。

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。

振動素子の一例を示す図である。 振動素子の構成部品の一例を示す図である。 振動素子の回転振動モードを示す図である。 （ａ）は振動素子の通電例を示す図であり、（ｂ）はばね定数と共振周波数との関係を示す図である。 振動素子の一例を示す図である。 振動素子の構成部品の一例を示す図である。 振動素子の回転振動モードを示す図である。 振動素子の通電例を示す図である。 駆動信号の一例を示す図である。 画像形成装置の一例を示す平面図である。 画像投影装置の一例を示す平面図である。 光学パターン読み取り装置の一例を示す平面図である。

［光走査装置］
図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。

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。

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。

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。

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。

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。

Images