JP2016081037A - 光偏向器、2次元画像表示装置、光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この種の光偏向器は、シリコンやガラスを微細加工するマイクロマシニング技術により、基板上に光反射面を設けた可動部や、該可動部を振動させる駆動梁を一体形成してなる。
駆動梁は、カンチレバーの表面に薄膜化した圧電材料からなる圧電体を重ね合わせて形成されており、圧電体がアクチュエータとして機能する。
圧電体の圧電特性から生じる面内方向の伸縮がカンチレバーに伝わり、カンチレバーを振動させることができる。
カンチレバーの振動によって光反射面が回転振動し、光偏向が可能となる。
表示画像の高精細化、面内均一化を達成するためにはラスタ走査が必要となるため、垂直方向の光走査には一般的に非共振駆動が使われる。
そのため、垂直方向のラスタ走査時に水平方向に振動する成分が発生してしまい、画質面では垂直方向の走査線が揺らぐといった現象が生じる。
この走査線の揺らぎは画質低下の要因となる。
図1乃至図8に基づいて第1の実施形態を説明する。
光偏向器2は、垂直方向(Y方向)の光走査が可能な1軸走査型の光偏向器である。
光偏向器2は、光反射面を有するミラー部4と、ミラー部4を含む平板状の可動枠6と、可動枠6の外側を囲むように配置された支持枠8とを有している。
また、光偏向器2は、可動枠6のY軸方向を中心とした両側において、可動枠6と支持枠8との間に配置された第1の蛇行状梁部10と、第2の蛇行状梁部12とを有している。
第1の蛇行状梁部10の他端10bと可動枠6との固定部分は接続部C1としてなる。
同様に、第2の蛇行状梁部12の一端12aは支持枠8に固定され、他端12bは可動枠6に固定されている。
第2の蛇行状梁部12の他端12bと可動枠6との固定部分は接続部C2としてなる。
上記のように、可動枠6は、第1の蛇行状梁部10と第2の蛇行状梁部12とにより間接的に支持枠8に支持されている。
梁部Aと梁部Bの表面には、折り返し部を除いて圧電部材14が設けられており、梁部Aと梁部Bとを独立して駆動可能となっている。
梁部Aと梁部Bのそれぞれの圧電部材14に異なる電圧を印加すると、梁部Aと梁部Bとにそれぞれ反り(変形)が発生して隣り合う梁部が異なる方向に撓む。
この撓みが累積されて可動枠6に伝達され、非共振でのミラー部4の回転振動がX軸周り(=垂直方向)に生じ、光偏向器としての走査機能を持つことになる。
図2ではミラー部4は省略している。
第1の蛇行状梁部10と第2の蛇行状梁部12の蛇行した各梁部A及びBにそれぞれ設けられた複数の圧電部材14に対して、梁部Aの圧電部材14には、図3(a)に示すのこぎり波の電圧が印加される。
梁部Bの圧電部材14には、図3(b)示すように、図3(a)ののこぎり波とは逆形状ののこぎり波の電圧が印加される。
図3において、符号Ta、Tbは波形周期を、Ta1、Tb2は梁部Aに印加する電圧波形(のこぎり波形)を、Ta2、Tb2は梁部Bに印加する電圧波形(のこぎり波形)を示している。
図4(a)は光偏向器2の非動作状態を、図4(b)は光偏向器2の動作状態における蛇行状梁部の変化を示している。
蛇行状梁部を備えた光偏向器において、ラスタ駆動によってミラー部を回転振動させてレーザ走査を行うと、図5(a)に示すように、レーザ走査線が走査方向に対して垂直に揺らいでしまう。
その理由は、光偏向器の製造過程における加工誤差や圧電部材の駆動力のばらつきによって、第1の蛇行状梁部と第2の蛇行状梁部の駆動力に僅かに差が発生するためである。
また、可動枠内の構造が非対称になった場合にも、上記現象が大きく発生してしまう原因となることが分かっている。
具体的に説明すると、第1の蛇行状梁部10と可動枠6との接続部C1、C2(図1参照)に振動抑制部16を設けている。
図6(a)は図1の接続部C1におけるL−L’線での断面図、図6(b)は接続部C1におけるL1−L1’線での断面図である。
梁部Bは、可動枠6と同一材料で一体に形成されている。
振動抑制部16は、梁部B及び可動枠6を形成する基板と同じ材料(部材)の基板を貼り合わせ、不要部分を除去することにより形成されている。
図6(b)において、符号gは可動枠6と梁部Bとの間の空間部を示している。
圧電部材14を支持する第1の支持層としての梁部Bと、第2の支持層としての振動抑制部16とを形成する基板には通常SOI(Silicon On Insulator)基板が使用される。
SOI基板は活性層側のシリコン(第2の支持層)と、埋め込み酸化膜層と、基材層側のシリコン(第1の支持層)とにより構成される。
その後、上部電極材料、圧電材料、下部電極材料がそれぞれ異なるパターンでパターン化される。
このとき、それぞれのパターンは光偏向器に要求される性能等に応じて任意の形でパターン化されており、下部電極材料と同一パターンでシリコン酸化膜をエッチングしている。
その後、絶縁膜及びミラー膜が成膜される。その後、活性層と基材層と埋め込み酸化膜を順次パターン化及びエッチングし、光偏向器が完成する。
絶縁層24:SiO2(二酸化ケイ素;厚さ0.7μm)
上部電極22:Pt(白金;厚さ0.2μm)
圧電材料20:PZT(チタン酸ジルコン酸鉛;厚さ2μm)
下部電極18:Ir(イリジウム;厚さ0.15μm)
梁部B:Si(シリコン;厚さ40μm)
振動抑制部16:Si(シリコン;厚さ40μm、幅W200μm)
一方、接続部C1、C2に振動抑制部16を形成した光偏向器2によるレーザ走査線の測定結果では、図5(b)に示すように、走査線揺らぎを抑制することができている。
振動抑制部16の幅W(図6(a)参照)を上記実施例の半分(100μm)にした場合と、振動抑制部16が全く無い場合との比較における走査時の走査線揺らぎの測定結果を図7に示す。走査線揺らぎ量は、ミラー偏向による走査線の直線からのずれと直線近似した該走査線の該直線方向との全幅の比であり、値が小さいほど走査線の揺らぎが抑制されている。
図7から、振動抑制部16を最適化することで、走査線揺らぎを画質に実質的に影響しない程度に抑制することができることがわかる。
このことは、光偏向器の製造精度における設計上の自由度を高めることにも寄与するといえる。
本実施形態では振動抑制部16を接続部C1、C2の両方に設ける構成としたが、光偏向器の加工誤差や圧電部材の駆動力のばらつきが是正される場合には、接続部C1と接続部C2のいずれか一方に設けてもよい。
振動抑制部16を設ける範囲は、蛇行状梁部の梁部の変形動作を阻害しない範囲である。
幅Wを変えずに振動抑制部の厚み(高さ)を調整する構成としてもよい。この場合、厚みを部分的に大きくしてもよい。例えば、ミラー部に近づくにつれ相対的に厚みを大きくしていくようにしてもよい。
図8(b)に示すように、接続部C1、C2が可動枠6の中心6aに対して点対称に配置されていない場合、第1の蛇行状梁部10と第2の蛇行状梁部12の駆動力の差が生じて、走査線揺らぎを発生させるY軸方向でのねじれの変位量が大きくなる。
換言すれば、可動枠6の両側における駆動バランスが崩れて予期しない捩れモードが発生し、走査線揺らぎの要因となる。
接続部C1、C2を可動枠6の中心6aに対して点対称に配置することで走査線揺らぎを高精度に抑制することができる。
振動抑制部は、可動枠の重心に対して対称となるように設置することで、全体の重量バランスを一致させ、可動枠に余計な傾きが生じないようにする効果がある。
PZTは電気−機械エネルギーの変換効率が他の圧電材料に比べると良好で、かつ上記の一般的な製法で安価で作成することができる。
蛇行状梁部の変形によって動く部分は、蛇行状梁部自体、接続部及び可動枠であり、ミラー部4の振動に対し不要な振動成分を抑制することができれば上記動く部分のうちのいずれかの部位でもよい。
不要な振動成分としては、ミラー部4の振動方向と異なる方向、例えば上記のように直交する方向の振動成分がある。
上記実施形態と同一部分は同一符号で示し、既にした構成上及び機能上の説明は省略して要部のみ説明する。
図9に示すように、本実施形態に係る光偏向器30は、2軸走査型の光偏向器であり、図1で示した光偏向器2の可動枠6内にミラー部4をY軸周りに回転振動させる構成を有している。
具体的に説明すると、可動枠6には、一端がミラー部4に固定され、ミラー部4を蛇行状梁部の変形による振動方向と直交する方向に振動可能に支持する一対の弾性支持部材としてのトーションバー32、34と、電圧を印加することにより変形する構成を有し、一端がトーションバー32、34の他端側に固定された一対の駆動梁36、38とが設けられている。
駆動梁36、38の表面には、蛇行状梁部の梁部と同様に圧電部材40が設けられており、電圧を印加することにより変形する構成となっている。
駆動梁36、38を駆動することで、ミラー部4を支持するトーションバー32、34にねじれが発生し、ミラー部4がY軸周りに回転振動する。
駆動梁36、38には正弦波による駆動が行われ、ミラー部4の回転は機械的共振を利用することになる。
光反射面の回動角度に関しては、機械振れ角±13°の回転が得られるように動作させることができる。
一方、第1の蛇行状梁部10と第2の蛇行状梁部12を駆動することで、可動枠6がX軸周りに回転振動し、これに応じてミラー部4もX軸周りに回転振動する。
このような非共振駆動によるラスタ走査では、60Hzののこぎり波により動作をさせることができる。
図10に示すように、Y方向の機械的共振による正弦波振動Sと、X方向の非共振駆動NSによる回転により、2軸方向でのレーザ走査が可能になる。符号62は投影面を示す。
光偏向器2は、パッケージ部材42に覆われている。パッケージ部材42には樹脂やセラミック材料が用いられる。
光偏向器2の上下電極は駆動回路44と電気的に連結されており、駆動回路44を用いて、上下電極間に電圧を印加する。
図13は、2次元画像表示装置としてのプロジェクタ50を示している。
プロジェクタ50では、赤色レーザ光源52、緑色レーザ光源54、青色レーザ光源56のそれぞれから発せられた光は、コリメートレンズ58によってそれぞれ平行光になって出射される。
具体的には、赤色レーザとして波長640nm、緑色レーザとして波長520nm、青色レーザとして波長450nmの光源を用いた。
コリメートされたレーザ光は、光路合成手段60に入射される。光路合成手段60は、3本の光路を1つの光路に合成するものであり、ダイクロイックミラーなどの光路合成プリズムを使う。
スクリーン62への画像の形成は、光偏向器30によるレーザ光の2次元光走査と、各レーザ光源の強度変調によって行われる。
このとき、各光源の強度変調信号はLD駆動部64から送られ、光偏向器30によるスクリーン62への光走査方向は、光偏向器駆動部66より送られる。
画像を形成するためのLD、光偏向器2の制御は、制御部68で行われる。図13、図14において、符号70は電源を示している。
ヘッドアップディスプレイ72では、スクリーンとしてマイクロレンズアレイ74を用いており、マイクロレンズアレイ74上に画像が形成される。
観察者76は、投射ミラー78、半透明部材としてのコンバイナ80を介して画像が拡大された虚像82をコンバイナ80の先に視認することができる。
半透明部材として一般的にコンバイナを設置するが、車載用のヘッドアップディスプレイでは車両の窓ガラスを使うことも可能である。
光源としてのレーザ素子84からのレーザ光はコリメート光学系86を経た後、光偏向器2により偏向される。
偏向されたビームは、第1のレンズであるfθレンズ88、第2のレンズであるトロイダルレンズ90及びミラー92からなる結像光学系で感光ドラム等の被走査面94にスポット状に結像する。
光偏向器2に代えて2軸走査型の光偏向器30を用いてもよい。
光走査装置100は、記録信号によって変調された1本又は複数本のレーザビームで像担持体としての感光体ドラム102の表面(被走査面)を同ドラムの軸方向に走査する。
感光体ドラム102は矢印方向に回転駆動され、帯電手段104により帯電された表面に光走査装置100により画像情報に基づいて光走査されることによって静電潜像が形成される。
静電潜像は現像手段106でトナー像に可視像化され、このトナー像は転写手段108で被転写体としての記録紙110に転写される。転写されたトナー像は定着手段112によって記録紙110に定着される。
感光体ドラム102の転写手段108に対向する部位を通過した表面部分はクリーニング手段114で残留トナーを除去される。
また、トナー像を記録紙以外の転写媒体に一旦転写し、この転写媒体からトナー像を記録紙に転写して定着させる構成とすることも可能である。
また、光走査装置100は、光偏向器2の光反射面に光源116からの光ビームを結像させるための結像光学系120と、光反射面で反射された光ビームを感光体ドラム102の表面に結像させるための走査光学系122等を有している。
光偏向器2は、その駆動のための集積回路124とともに回路基板126に実装された形で光走査装置100に組み込まれている。
光偏向器2に代えて2軸走査型の光偏向器30を用いてもよい。
光偏向器のミラー部4の振動時の風切り音は回転多面鏡に比べ小さいため、画像形成装置の静粛性の改善に有利である。
本発明に係る光走査装置は回転多面鏡に比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済み、また、光偏向器の発熱量もわずかであるため、小型化が容易である。
したがって、画像形成装置の小型化に有利である。
なお、記録紙の搬送機構、感光体ドラムの駆動機構、現像手段、転写手段などの制御手段、光源の駆動系などは、従来の画像形成装置と同様であるため図中省略している。
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。
4ミラー部
6 可動枠
8 支持枠
10 蛇行状梁部としての第1の蛇行状梁部
12 蛇行状梁部としての第2の蛇行状梁部
16、16’ 振動抑制部
C1、C2 接続部
14 圧電部材
32、34 弾性支持部材としてのトーションバー
36、38 駆動梁
52、54、56 光源
50 光路合成手段
62 投影面としてのスクリーン
84 光源としてのレーザ素子
102 像担持体としての感光体ドラム
106 現像手段
108 転写手段
Claims (9)
- 光反射面を有するミラー部と、
前記ミラー部を含む可動枠と、
前記可動枠を囲むように配置された支持枠と、
前記可動枠の両側において前記可動枠と前記支持枠との間に配置され、折り返し形状を有する蛇行状梁部と、
を備え、
前記各蛇行状梁部の一端は前記支持枠に固定されているとともに、他端は前記可動枠に固定され、
前記各蛇行状梁部は電圧を印加することにより変形する構成を有し、
電圧印加による前記各蛇行状梁部の変形が前記可動枠を介して伝達されることにより前記ミラー部が振動するものであり、
前記蛇行状梁部の変形によって動く部分に、前記ミラー部の振動に不要な振動成分を抑制する振動抑制部を有する光偏向器。 - 請求項1に記載の光偏向器において、
前記振動抑制部が、前記蛇行状梁部と前記可動枠との接続部に設けられている光偏向器。 - 請求項1又は2に記載の光偏向器において、
前記振動抑制部は、前記可動枠及び前記蛇行状梁部と同一の部材で形成される光偏向器。 - 請求項2又は3に記載の光偏向器において、
前記各蛇行状梁部は、基板と、該基板上に設けられた圧電部材とから構成され、前記振動抑制部は、前記基板の前記圧電部材と反対側の面の厚みを大きくすることにより形成されている光偏向器。 - 請求項1〜4のいずれか1つに記載の光偏向器において、
前記可動枠に対する前記各蛇行状梁部の接続部が、前記ミラー部を中心に点対称に配置されている光偏向器。 - 請求項1〜5のいずれか1つに記載の光偏向器において、
前記可動枠内に、
一端が前記ミラー部に固定され、前記ミラー部を前記蛇行状梁部の変形による振動方向と直交する方向に振動可能に支持する一対の弾性支持部材と、
電圧を印加することにより変形する構成を有し、一端が前記弾性支持部材の他端側に固定された一対の駆動梁と、
を有する光偏向器。 - 複数の異なる波長のレーザ光を出射する光源と、
前記各レーザ光の光路を一つに合成する光路合成手段と、
前記合成されたレーザ光を走査して画像を描画する2次元走査手段と、
を備え、
前記2次元走査手段が請求項6に記載の光偏向器であり、該光偏向器による光偏向を行い、投影面に画像を投影する2次元画像表示装置。 - 光源と、
前記光源からの光ビームを偏向する光偏向器と、
偏向された光ビームを被走査面にスポット状に結像する結像光学系と、
を備え、
前記光偏向器は、請求項1〜6のいずれか1つに記載の光偏向器である光走査装置。 - 像担持体と、
画像情報に基づいて前記像担持体に静電潜像を形成する光走査装置と、
前記静電潜像を可視像化する現像手段と、
前記可視像を被転写体に転写する転写手段と、
を有し、
前記光走査装置が請求項8に記載の光走査装置である画像形成装置。
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