JP3956839B2 - Optical scanning device and image forming apparatus provided with optical scanning device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光走査装置およびその光走査装置を備えた画像形成装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、共振を利用して反射ミラー部を振動する共振型の光走査装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。この光走査装置は、反射ミラー部とばね部と駆動源とから構成されており、弾性変形部と反射ミラー部により決定される固有振動モードの周波数にあった振動を駆動源から供給することによって、当該振動モードで反射ミラー部を駆動する方式をとっていた。また、光を高速で走査するために、高次の振動モードを使っていた。
一方、共振型の光走査装置の設計では、走査ビームの直進性を安定化させるため、捻れ共振の周波数をその他の振動モードより低くしているものが提案されている(例えば、非特許文献1。)。
【0003】
【特許文献1】
特開平10−104543号公報
【非特許文献1】
上田譲、浅田規裕 「2次元マイクロ磁気スキャナの実用化に関する考察」(社)日本応用磁気学会 第117回研究会「薄膜アクチュエータの応用と新展開」−磁気工学における将来展望− 平成13年12月22日 資料 p.39−44
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光走査装置の走査ビームの直進性を安定化させるため、捻れ共振の周波数をその他の振動モードより低くした場合、光走査装置の捻れ共振周波数を大きくすることができず、高速な光走査装置を作製することは困難であった。また、振動の周波数を高くして、高次の振動モードを利用した場合、高速で光走査装置を走査することはできるが、不要な高次の振動モードの重なり、あるいは、外乱等の理由により、破損あるいは安定した光走査ができないという問題があった。また、高次の振動モードを利用する場合、振幅を大きくするために、ばね部の剛性を低くしていたことからも、外乱等により、破損しやすいという問題があった。
【0005】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、高速走査光走査装置を実現し、なおかつ、走査ビームの直進性が劣化することなく、安定して、低駆動エネルギーで駆動できる光走査装置及びその光走査装置を備えた画像形成装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項1に記載の光走査装置は、光を反射する反射ミラー部と、前記反射ミラー部から延出し振動により捻れ変位が発生するばね部と、前記ばね部を固定する固定枠部とを有する振動体の少なくとも一部を振動させることにより、前記反射ミラー部に入射した光の反射方向を変化させて光を走査する共振型の光走査装置において、前記ばね部は、前記反射ミラー部に連結され、振動により捻れ変位が発生する第1のばね部と、当該第1のばね部に連結され、且つ、前記固定枠部に前記第1のばね部の幅よりも広い間隔で分岐して連結されると共に、振動により曲げおよび捻れ変位が発生する第2のばね部とを備え、前記第2のばね部は、平面視L字状の板材と、逆L字状の板材とを対称になるように接続し、その接続された箇所に板材から成る前記第1のばね部が連結され、且つ、前記第2のばね部の他端部が固定枠部に対して連結され、前記固定枠部の少なくとも一部から当該固定枠部に接続される前記第2のばね部に沿って一方向に延出し、前記第2のばね部を振動させる駆動源と、前記分岐している第2のばね部の各々に設けられている前記駆動源を互いに逆相で振動させるように駆動する駆動制御手段とをさらに備え、前記駆動源の変位が前記第2のばね部で板材の板厚方向に対しての曲げとなり、前記第2のばね部の前記第1のばね部に連結される部分でその曲げが捻れ変位として第1のばね部に伝達され、前記第2のばね部の分岐幅が前記反射ミラー部の幅を超えないことを特徴とする構成となっている。
【0007】
この構成の光走査装置では、反射ミラー部に連結され、振動により捻れ変位が発生する第1のばね部と、当該第1のばね部に連結され、且つ、固定枠部に第1のばね部の幅よりも広い間隔で分岐して連結されると共に、振動により曲げおよび捻れ変位が発生する第2のばね部の分岐幅が反射ミラー部の幅を超えないようになっているので、捻れ固有振動数より低い周波数範囲内における、垂直あるいは水平固有振動の高次振動モードの発生が低減される。これにより他の固有振動モードとの振動数の差を大きくできることから、捻れ共振させたときも、固有振動の重なりが発生せず、安定して光が走査できる。また、高い駆動周波数及び走査角を保ちながらも、不要振動モードあるいはそれらの重なりによる破損が低減し、安定して走査することができる。
【0008】
【0009】
この構成の光走査装置では、さらに、分岐している第2のばね部の各々に設けられている駆動源を互いに逆相で振動させるので、捻れ振動を効率よく発生させられることから、更に安定して光走査装置を駆動できる。
【0010】
また、請求項2に係る発明の画像形成装置では、請求項1に記載の発明の構成に加えて前記駆動源は、圧電体であることを特徴とする構成となっている。
【0011】
この構成の光走査装置は、請求項1に記載の発明の作用に加えて、駆動源に電気−機械変換効率の高い圧電体を使うことにより、低消費電力化をはかることができる。
【0012】
また、請求項3に係る発明の光走査装置では、請求項2に記載の発明の構成に加えて、前記駆動源は、薄膜形成法により形成されたことを特徴とする構成になっている。
【0013】
この構成の光走査装置は、請求項2に記載の発明の作用に加えて、駆動源は、薄膜形成法により形成されるので、第2のばね部上に接着剤を用いずに駆動源を形成することができる。
【0014】
また、請求項4に係る発明の光走査装置では、請求項3に記載の発明の作用に加えて、前記薄膜形成法は、CVD、スパッタリング、水熱合成、ゾルゲル、微粒子吹き付けの何れかであることを特徴とする構成になっている。
【0015】
この構成の光走査装置は、請求項3に記載の発明の作用に加えて、薄膜形成法としては、CVD、スパッタリング、水熱合成、ゾルゲル、微粒子吹き付けの何れかを用いることができるので、微細な第2のばね部と固定枠部との間に、一番適切な薄膜形成法を用いることができる。
【0016】
また、請求項5に係る発明の画像形成装置では、請求項1乃至4の何れかに記載の光走査装置を備えたことを特徴とする構成になっている。
【0017】
この構成の画像形成装置では、請求項1乃至4の何れかに記載の光走査装置を応用することにより、高精細な画像が提供でき、且つ、装置を小型化できる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【0019】
まず、図1を参照して、本発明の一実施の形態である光走査装置1を備えた網膜走査型画像形成装置100の全体構造について説明する。図1は、本発明の一実施の形態である光走査装置1を備えた網膜走査型画像形成装置100の概略構成を示すブロック図である。
【0020】
図1に示すように、光走査装置1を備えた画像形成装置100は、観察者の網膜上に直接画像を結像させるように構成されており、観察者の頭部に装着して使用するディスプレイ装置である。図1に示すように、画像形成装置100は、光源ユニット部101と、垂直走査系102と、水平走査系103と、リレー光学系126,127と、コリメトリーレンズ122と、光センサ123とから構成されている。
【0021】
また、光源ユニット部101は、映像信号供給回路104と、映像信号供給回路104に接続された光源ドライブ回路105と、光源ドライブ回路108により駆動される光源106と、コリメート光学系107と、ダイクロイックミラー115,115,115と結合光学系116と、DB信号検出回路118とから構成されている。尚、結合光学系116とコリメトリーレンズ122との間は、光ファイバ117により光学的に接続されている。
【0022】
さらに、この映像信号供給回路104には、光源ドライブ回路105として、青色レーザドライバ108、緑色レーザドライバ109、及び赤色レーザドライバ110が接続され、これらに対して、映像信号供給回路104は、入力された映像信号に基づいて各色の駆動信号を供給するものである。また、映像信号供給回路104は、水平走査系103の水平走査駆動回路121(本発明の駆動制御手段に相当)及び垂直走査系102の垂直走査駆動回路124にも接続されており、走査動作の同期に必要な水平同期信号及び水平同期信号を供給している。また、映像信号供給回路104には、BD信号検出回路118が接続され、BD信号検出回路118には、光走査装置1の走査光を検出するBDセンサ123が接続され、走査光がBDセンサ123上を通過する際に得られる電気信号は、BD信号検出回路118に入力され、映像信号供給回路104では、BD信号検出回路118から得られた信号を利用することで、画像信号の1フレームの出力開始のタイミングを正確に決定できるようになっている。
【0023】
青色レーザドライバ108、緑色レーザドライバ109、及び赤色レーザドライバ110は、映像信号供給回路104から供給される映像信号に基づいて、各々青色レーザ111、緑色レーザ112、赤色レーザ113を強度変調させるための駆動信号を供給する回路であり、青色レーザ111、緑色レーザ112、赤色レーザ113は、青色レーザドライバ108、緑色レーザドライバ109、及び赤色レーザドライバ110からの駆動信号に基づいて、各々青色、緑色、赤色の各波長に対応する強度変調されたレーザ光の光束を発生させるものである。
【0024】
また、コリメート光学系107に設けられたコリメートレンズ114,114,114は、青色レーザ111、緑色レーザ112、赤色レーザ113から拡散するように発射された3色のレーザ光を各々平行光として、ダイクロイックミラー115,115,115に入射させるようになっており、ダイクロイックミラー115,115,115は、3色のレーザ光を合成し、合成された3色のレーザ光は、結合光学系116により結合されて光ファイバ117に導かれるようになっている。そして、光ファイバ117を経由してコリメトリーレンズ122から平行光として射出されたレーザ光は、水平走査系103に水平走査装置として設けられた光走査装置1の反射ミラー8に入射するようになっている。
【0025】
光走査装置1は、映像信号供給回路104から供給される水平同期信号119に基づいて駆動される水平走査駆動回路121の制御により反射ミラー8を振動させることにより、反射ミラー8に入射したレーザ光の反射方向を変化させてレーザ光を水平方向に走査するものである。このようにして走査されたレーザ光は、リレー光学系126を経由して、垂直走査系102の反射ミラー部125に導かれる。尚、光走査装置1の詳細については、後述する。
【0026】
次に、垂直走査系102について説明する。垂直走査系102は、映像信号供給回路104から供給される垂直同期信号120に基づいて駆動される垂直走査駆動回路124により反射ミラー部125を図示外のアクチュエータにより図1に示す矢印方向に往復振動させることにより、反射ミラー部125に入射したレーザ光の反射方向を変化させてレーザ光を垂直方向に走査するものである。つまり、水平走査系103の光走査装置1と垂直走査系102の反射ミラー部125とにより、レーザ光は二次元的に走査されることになる。このようにして、走査されたレーザ光は、リレー光学系127により光束としてビーム整形されて、観察者の瞳孔に入射されると共に、網膜上に直接画像として結像される。
【0027】
次に、図2を参照して、水平走査系103の水平走査駆動回路121の詳細について説明する。図2は、水平走査駆動回路121のブロック図である。図2に示すように、水平走査駆動回路121は、発振器121aと、位相反転回路121b、位相シフタ121c,121d、及びアンプ121e,121fから構成されている。図1に示す映像信号供給回路104から供給される水平同期信号119は発振器121aに入力され、発振器121aでは水平同期信号119に基づいて正弦波が生成され、その正弦波は、位相反転回路121b及び位相シフタ121cに入力され、位相シフタ121cでは、画像信号と反射ミラー部の位相を調整するための信号を生成し、当該信号がアンプ121eで電圧増幅されて、駆動電圧が光走査装置1に設けられた駆動源aおよびbに供給される。
【0028】
他方、発振器121aから位相反転回路121bを通り、位相シフタ121dおよびアンプ121fを経由した駆動電圧は、光走査装置1に設けられた駆動源cおよびdに供給される。位相を反転させて駆動源a,bおよびc,dを駆動することで、駆動源の変位方向が左右反転するため、反射ミラー8が捻れ振動し、レーザ光は水平走査されることになる。このようにして走査されたレーザ光は、前述のように、リレー光学系126を経由して垂直光走査系102の反射ミラー部125に導かれることになる。
【0029】
次に、図3乃至図5を参照して、上記のような画像形成装置100に使用される第1の実施の形態の光走査装置1について説明する。図3は、光走査装置1の斜視図であり、図4は、光走査装置1の分解斜視図であり、図5は、第1の実施の形態の光走査装置1の反射ミラー8の表面の状態を示す分解斜視図である。
【0030】
図3及び図4に示すように、光走査装置1は、上面中央部に凹部2aが形成された略直方体のベース台2上に振動体5が固着されている。このベース台2の中央部には、略直方体形状に深く抉られた凹部2aが形成され、凹部2aの周囲は、振動体5の固定枠部7と略同一の幅の平面が「ロの字」形状に形成された支持部3が形成されている。尚、凹部2aを深く抉っているのは、反射ミラー8の振動時に反射ミラー8が、凹部2aの底部に干渉しないようにするためである。尚、ベース台2は、実際には、非常に微細な大きさに形成されており、凹部2aはエッチング等により形成される。
【0031】
次に、振動体5について、図3及び図4を参照して説明する。振動体5は、非常に微細な大きさに形成された平面視、略長方形のシリコン板から形成され、そのシリコン板に反射ミラー8と、当該反射ミラー8に連結される第1のばね部9,10と、第1のばね部9に接続される第2のばね部12,13と、第1のばね部10に接続される第2のばね部15,16と、第2のばね部12,13,15,16が接続される固定枠部7とがエッチングにより形成されている。
【0032】
次に、反射ミラー8について説明する。反射ミラー8は平面視、長方形又は正方形の方形状に形成され、固定枠部7のほぼ中央部に配置されている。この反射ミラー8は、振動されることにより入射した光の反射方向を変化させるものである。図5に示すように、反射ミラー8の表面には光反射膜8aが形成されており、反射効率を高めるようにしている。なお、反射ミラー8の共振周波数は、動作振動周波数にほぼ一致するように設定するのが好ましい。
【0033】
第1のばね部9,10及び第2のばね部12,13,15,16は、固定枠部7のほぼ中央部に配置された反射ミラー8を捻れ変位可能に支持するものである。詳細には、反射ミラー8の両側面の重心位置に連結され、振動により捻れ変位が発生する第1のばね部9,10と、その第1のばね部9に連結され、且つ、振動体5の固定枠部7に対して第1のばね部9の幅よりも広い間隔で連結されると共に、振動により曲げ及び捻れ変位が発生する第2のばね部12,13と、第1のばね部10に連結され、且つ、振動体5の固定枠部7に対して第1のばね部10の幅よりも広い間隔で連結されると共に、振動により曲げ及び捻れ変位が発生する第2のばね部15,16とから構成されている。即ち、第1のばね部9,10が反射ミラー8を直接支持し、第2のばね部12,13が第1のばね部9を支持し、第2のばね部15,16が第1のばね部10を支持することにより反射ミラー8を間接的に支持するものである。
【0034】
第2のばね部12,13は、平面視L字状、又は逆L字状に形成されており、その一端部が第1のばね部9に対して略垂直状に連結され、且つ、その他端部が固定枠部7に対して略垂直状に連結されている。また同様に、第2のばね部15,16は、平面視L字状、又は逆L字状に形成されており、その一端部が第1のばね部10に対して略垂直状に連結され、且つ、その他端部が固定枠部7に対して略垂直状に連結されている。本実施の形態では、1つの第1のばね部9に対して2つの第2のばね部12,13が一体的に連結され、また同様に、1つの第1のばね部10に対して2つの第2のばね部15,16が一体的に連結されている。そして、第1のばね部9,10は、反射ミラー8の重心を通る直線上に配置され、第2のばね部12,13はその直線を中心として対称となるように配置されている。また、第2のばね部15,16もその直線を中心として対称となるように配置されている。
【0035】
このように、第1のばね部9,10及び第2のばね部12,13,15,16を構成したことにより、反射ミラー8が振動して捻れ変位した場合にでも、第2のばね部12,13,15,16と固定枠部7との連結点に発生する応力を分散させることができる。従って、ばね部を徒に太くしたり長くしたりしなくても、反射ミラー部の共振周波数を確保しながら十分な捻れ角を得ることができると共に、装置全体をコンパクト化できて、捻り振動以外の固有振動の発生を防止することができる。
【0036】
次に、図4を参照して、固定枠部7について説明する。図4に示すように、固定枠部7は、反射ミラー8に連結された第1のばね部9,10に接続された第2のばね部12,13,15,16を支持すると共に、振動体5をベース台2に固着させるものである。具体的には、振動体5の固定枠部7の下面がベース台2の支持部3に固着されている。
【0037】
次に、振動体5の製造方法について説明する。上記のような構造の振動体5を製造するには、例えば、シリコンウエハ上に固定枠部7、反射ミラー8、第1のばね部9,10及び第2のばね部12,13,15,16からなる振動体5のパターンを形成し、これをエッチングすることにより一体形成する。そして、図5に示すように、反射ミラー8となるべき箇所の表面に、金、クロム、白金、アルミ等の材料により反射膜8aを形成すれば完成する。このように製造することによって複数のものを同時に製造することができる。
【0038】
次に、図3、図4、図6及び図7を参照して、駆動源a,b,c,dの形成について説明する。尚、図6は、振動体5の図4に於ける手前側から視た部分正面図であり、図7は、振動体5の図4に於ける手前側から視た駆動源dの構造の詳細を示す部分正面図である。図3及び図4に示すように、駆動源aは第2のばね部12上に直接形成され、駆動源bも第2のばね部13上に直接形成され、駆動源cも第2のばね部15上に直接形成され、駆動源dも第2のばね部16上に直接形成されている。
【0039】
尚、この駆動源a,b,c,dは、PZT、ZnO、BST等の圧電体から構成されている。圧電体は、電気−機械変換効率の高い部材であることから、駆動源a,b,c,dに圧電体を用いると、低消費電力化することができる。また、PZT、ZnO、BST等の圧電体からの駆動源a,b,c,dの形成には、CVD、スパッタリング、水熱合成、ゾルゲル、微粒子吹き付け等の薄膜形成法を用いて、第2のばね部12,13,15,16及び固定枠部7上に直接形成している。従って、図3、図4及び図6に示すように、この駆動源a,b,c,dは、各々第2のばね部12,13,15,16から固定端部13を越えて固定枠部7に掛かるように直接形成されている。尚、固定枠部7上には、駆動源aに駆動電圧を入力するための入力端子a1、a2と、駆動源bに駆動電圧を入力するための入力端子b1、b2と、駆動源cに駆動電圧を入力するための入力端子c1、c2と、駆動源dに駆動電圧を入力するための入力端子d1、d2とが各々金属薄膜により形成されている。尚、脆弱性が高い材料であっても薄くすることにより、大きな変形をさせることができるので、駆動源の厚みと第2のばね部の厚みを合計した厚さは200μm以下になるように構成されている。
【0040】
次に、図7を参照して、駆動源dの構造の詳細について説明する。図7に示すように、駆動源dは、第2のばね部13から固定枠部7に掛けて形成されており、駆動源dの図7に於ける下側には、下部電極d4が形成され、駆動源dの図7に於ける上側には、上部電極d3が形成されている。従って、駆動源dを構成する圧電体は、上部電極d3及び下部電極d4にサンドウィッチ状に挟まれている。また、図3、図4及び図7に示すように、上部電極d3は、入力端子d2に接続され、図3及び図4に示すように、下部電極d4は、入力端子d1に接続されている。尚、他の駆動源a,b,cも駆動源dと同様の構造となっている。振動体5では、上記の構成とすることにより、駆動源a,bによって一対の圧電ユニモルフが構成され、駆動源c,dによって一対の圧電ユニモルフが構成される。
【0041】
次に、図8乃至図10を参照して、光走査装置1の第2の実施の形態について説明する。図8は、光走査装置1の第2の実施の形態の斜視図であり、図9は、光走査装置1の第2の実施の形態の分解斜視図であり、図10は、水平走査駆動回路121の第2の実施の形態のブロック図である。
【0042】
図8及び図9に示すように、第2の実施の形態の光走査装置1は、上面中央部に凹部2bが形成され、その凹部2bの両側に、一段浅く形成された凹部2cが形成された略直方体のベース台2上に振動体5が固着されている。振動体5の固定枠部7と略同一の幅の平面が「ロの字」形状に形成された支持部3が形成されている。尚、凹部2bを深く抉っているのは、反射ミラー8の振動時に反射ミラー8が、凹部2bの底部に干渉しないようにするためである。尚、ベース台2は、実際には、非常に微細な大きさに形成されており、凹部2b及び凹部2cはエッチング等により形成される。
【0043】
ベース台2の下部には、ベース台2の長手方向と直交する方向の奥側には、積層型の圧電アクチュエータである駆動源eが接着により固着され、ベース台2の長手方向と直交する方向の手前側には、積層型の圧電アクチュエータである駆動源fが接着により固着されている。駆動源eの上部には電極e1が設けられ、駆動源eの下部には電極e2が設けられている。また、駆動源fの上部には電極f1が設けられ、駆動源fの下部には電極f2が設けられている。従って、駆動源eは電極e1及び電極e2にサンドウィッチ状に挟まれており、駆動源fは電極f1及び電極f2にサンドウィッチ状に挟まれている。この駆動源e,fは、PZT、ZnO、BST等の圧電体が積層されて構成された圧電アクチュエータである。圧電体は、電気−機械変換効率の高い部材であることから、駆動源e,fに圧電体を用いると、低消費電力化することができる。ここで、電極e1及び電極e2間に印加する駆動電圧の極性を所定の周波数で変動させることにより駆動源eは伸び縮みして振動する。また、電極f1及び電極f2間に印加する駆動電圧の極性を所定の周波数で変動させることにより駆動源fは伸び縮みして振動する。従って、駆動源e及び駆動源fを逆相の駆動電圧で駆動することにより振動体5を振動させることができる。
【0044】
次に、振動体5について、図8及び図9を参照して説明する。振動体5は、非常に微細な大きさに形成された平面視、略長方形のシリコン板から形成され、そのシリコン板に反射ミラー8と、当該反射ミラー8に連結される第1のばね部9,10と、第1のばね部9に接続される第2のばね部12,13と、第1のばね部10に接続される第2のばね部15,16と、第2のばね部12,13,15,16が接続される固定枠部7とがエッチングにより形成されている。従って、振動体5は、第1の実施の形態とは駆動源以外の構成は同じである。
【0045】
次に、図10を参照して、第2の実施の形態の水平走査駆動回路121の詳細について説明する。図10は、第2の実施の形態の水平走査駆動回路121のブロック図である。図10に示すように、第2の実施の解体の水平走査駆動回路121は、図2に示す第1の実施の形態の水平走査駆動回路121は、回路構成は同一であるが、アンプ121eの出力が駆動源eに入力され、アンプ121fの出力が駆動源fに入力される点が異なっている。
【0046】
具体的には、第2の実施の形態の水平走査駆動回路121は、発振器121aと、位相反転回路121b、位相シフタ121c,121d、及びアンプ121e,121fから構成されている。図1に示す映像信号供給回路104から供給される水平同期信号119は発振器121aに入力され、発振器121aでは水平同期信号119に基づいて正弦波が生成され、その正弦波は、位相反転回路121b及び位相シフタ121cに入力され、位相シフタ121cでは、画像信号と反射ミラー部の位相を調整するための信号を生成し、当該信号がアンプ121eで電圧増幅されて、駆動電圧が光走査装置1に設けられた駆動源eに供給される。
【0047】
他方、発振器121aから位相反転回路121bを通り、位相シフタ121dおよびアンプ121fを経由した駆動電圧は、光走査装置1に設けられた駆動源fに供給される。位相を反転させて駆動源eおよび駆動源fを振動させることで、第1のばね部9,10、第2のばね部12,13,15,16及び反射ミラー8で構成される振動体の捻れ振動モードに一致する周波数の振動が与えられると、この振動体が共振を起こして、反射ミラー8が大きな捻れ振動を起こすことができる。
【0048】
次に、図11乃至図20を参照して、上記の第1及び第2の実施の形態の光走査装置1に使用される振動体5の形状及び振動特性を説明する。図11は、振動体5の振動特性を解析するための振動体5のコンピュータシュミレーションの図である。この図11に示す例では、振動体5の反射ミラー8は、厚さ100μmで、長さ1mm、幅1mmの正方形である。また、第1のばね部9,10は、何れも長さが5mmで、幅が60μmの長方形であり、および第2のばね部12,13,15,16の長さが1.5mm、幅が40μmの長方形であり、連結部17,18は、何れも長さ0.6mm、幅40μmの長方形である。従って、第2のばね部12,13,及び第2のばね部15,16の分岐幅は、連結部17,18の長さになるので、図11に示す例では、第2のばね部12,13,及び第2のばね部15,16の分岐幅L2が、反射ミラー8の幅L1を超えない例となっている。
【0049】
図12は、図11に示す振動体5のコンピュータシュミレーションでの静止状態を示す図である。この静止状態の振動体5を、モード1として、10.6kHzで振動させ、モード2として、15.1kHzで振動させ、モード3として、21.8kHzで振動させ、モード4として、25.2kHzで振動させた。
【0050】
以下、図13〜図20を参照して、上記の振動体5の各モードでの振動特性のコンピュータシュミレーションについて説明する。図13は、モード1のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図であり、また、図14は、モード2のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図であり、図15は、モード3のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図であり、図16は、モード4のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。また、図17は、静止状態の振動体5とモード1のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。図18は、静止状態の振動体5とモード2のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。図19は、静止状態の振動体5とモード3のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。図20は、静止状態の振動体5とモード4のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【0051】
図13及び図17に示すように、モード1、即ち、10.6kHzで振動体5を振動させた場合には、反射ミラー8が反射面に平行な方向に振動して共振する状態となる。また、図14及び図18に示すように、モード2、即ち、15.1kHzで振動体5を振動させた場合には、反射ミラー8が反射面に垂直な方向に振動して共振する状態となる。また、図15及び図19に示すように、モード3、即ち、21.8kHzで振動体5を振動させた場合には、反射ミラー8が第1のばね部8,9を軸として回動して捻れて共振する状態となる。この状態が光の走査に使用できる。また、図16及び図20に示すように、モード4、即ち、25.2kHzで振動体5を振動させた場合には、反射ミラー8が反射面の中心点を回転中心として、反射ミラー8が反射面の沿って往復回転して共振する状態となる。
【0052】
次に、上記の振動体5の振動特性と対比するために、図21乃至図30を参照して、振動体5の連結部17,18の長さを1.1mmとし、他の部材のサイズは、図11に示す振動体5と同じにしたものの振動特性を解析するためのコンピュータシュミレーションの結果について説明する。図21に示す例では、第2のばね部12,13,及び第2のばね部15,16の分岐幅L2が1.1mmであり、反射ミラー8の幅L1が1mmであるので、第2のばね部12,13,及び第2のばね部15,16の分岐幅L2が、反射ミラー8の幅L1を超えている例となっている。
【0053】
図22は、図21に示す振動体5のコンピュータシュミレーションでの静止状態を示す図である。この静止状態の振動体5を、モード1として、10.0kHzで振動させ、モード2として、14.2kHzで振動させ、モード3として、22.0kHzで振動させ、モード4として、25.5kHzで振動させた。
【0054】
以下、図23〜図30を参照して、各モードでの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションについて説明する。図23は、モード1のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図であり、また、図24は、モード2のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図であり、図25は、モード3のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図であり、図26は、モード4のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。また、図27は、静止状態の振動体5とモード1のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。図28は、静止状態の振動体5とモード2のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。図29は、静止状態の振動体5とモード3のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。図30は、静止状態の振動体5とモード4のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【0055】
図23及び図27に示すように、モード1、即ち、10.0kHzで振動体5を振動させた場合には、反射ミラー8が反射面に平行な方向に振動して共振する状態となる。また、図24及び図28に示すように、モード2、即ち、14.2kHzで振動体5を振動させた場合には、反射ミラー8が反射面に垂直な方向に振動して共振する状態となる。また、図25及び図29に示すように、モード3、即ち、22.0kHzで振動体5を振動させた場合には、反射ミラー8が反射面の中心点を回転中心として、反射ミラー8が反射面の沿って往復回転して共振する状態となる。また、図26及び図30に示すように、モード4、即ち、25.5kHzで振動体5を振動させた場合には、反射ミラー8が第1のばね部8,9を軸として回動して捻れて共振する状態となる。
【0056】
次に、図31を参照して、光走査装置1の振動体5の近似モデルを用いた振動の1次〜3次の振動モードを説明する。図31は、光走査装置1の振動体5の近似モデルを示す図である。反射ミラー8の質量を「M1」とし、第1のばね部を「無質量」とし、連結部17,18の質量を各々「M2」とし、第2のばね部を「無質量」とし、第2のばね部を2本を合成して1本とする。上記のように近似すると、水平方向あるいは鉛直方向に関しては、それぞれ3自由度の振動系になる。ばね部の質量まで考慮すると、自由度が無限になってしまうので、ここでは割愛する。光走査を安定して行うには、高次の振動モードが捻れ振動の固有振動数より低い領域に出ないようにすることが望ましい。上記の近似モデルは図31に示すようになる。図31に示す近似例では、上段の振動モードが1次モードであり、中段の振動モードが2次モードであり、下段の振動モードが3次モードである。
【0057】
図13〜図30のコンピュータシュミレーションによる解析例に示したように、固有振動数のモード解析を行うと、垂直あるいは水平の1次固有振動が周波数の低い領域で発生する。図11に示す振動体5と図31に示す振動モードを対応させると、図13に示すモード1が図31に示す1次モードにあたり、図16に示すモード4が図31に示す2次モードにあたる。更に上の周波数まで解析を行えば、3次モードあるいはそれ以上まで解析できる。M1の質量とばね部の剛性が一定と仮定すると、高次のモードの周波数は、M2の質量に依存することになる。M2の質量増加は、図31に示す例において、1次モードの振動周波数の低下を招き、それに、2次モードの振動数も低下し、捻れ固有振動数に接近する要因になっていた。
【0058】
本実施の形態の振動体5では、図11に示すように連結部17,18の長さ、即ち、第2のばね部12,13及び第2のばね部15,16の分岐幅(図11に示すL2)を反射ミラー8の幅(図11に示すL1)よりも狭くすることで、連結部17,18の質量M2を低下させることにより、高速化した故に避けがたい、水平方向および垂直方向の1次モード以外の振動モードの発生を抑制し、振動体5の捻れ振動を安定化させ、安定して光走査することができるようにしている。
【0059】
上記の実施の形態では、図15に示すモード3が光走査装置1に必要な振動(共振)モードであり、固有振動数は21.8kHzになっている。これより下の周波数では、図14に示すモード2が反射ミラー8の反射面に対して垂直な方向、モード1が水平な方向における振動(共振)モードになっており、垂直および水平方向の1次モードしかない。従って、振動体5の捻れ振動を安定化させ、光走査装置1が安定して光走査することができる。
【0060】
また、図21に示す、連結部17,18の長さ(第2のばね部12,13及び第2のばね部15,16の分岐幅)L2を1.1mmにした場合には、図26及び図30に示す捻れ振動モード4の共振周波数25.5kHzの下の周波数である22.0kHzで振動した図25及び図29に示すモード3にモード1の高次の振動が発生している。従って、振動体5の捻れ振動が安定化せず、光走査装置1が安定して光走査することができない。
【0061】
次に、図32乃至図49を参照して、振動体5の連結部17,18の長さを2mmとし、他の部材のサイズは、図11に示す振動体5と同じにしたものの振動特性を解析するためのコンピュータシュミレーションの結果について説明する。図32に示す例では、第2のばね部12,13,及び第2のばね部15,16の分岐幅L2が2mmであり、反射ミラー8の幅L1が1mmであるので、第2のばね部12,13,及び第2のばね部15,16の分岐幅L2が、反射ミラー8の幅L1の2倍となっている。
【0062】
図33は、図32に示す振動体5のコンピュータシュミレーションでの静止状態を示す図である。この静止状態の振動体5を、モード1として、9.0kHzで振動させ、モード2として、12.1kHzで振動させ、モード3として、15.4kHzで振動させ、モード4として、17.6kHzで振動させ、モード5として、29.1kHzで振動させ、モード6として、32.1kHzで振動させ、モード7として、60.4kHzで振動させ、モード8として、64.2kHzで振動させた。
【0063】
図34は、モード1のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図であり、また、図35は、モード2のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図であり、図36は、モード3のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図であり、図37は、モード4のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。また、図38は、静止状態の振動体5とモード1のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。図39は、静止状態の振動体5とモード2のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。図40は、静止状態の振動体5とモード3のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。図41は、静止状態の振動体5とモード4のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【0064】
また、図42は、モード5のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図であり、また、図43は、モード6のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図であり、また、図44は、静止状態の振動体5とモード5のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。また、図45は、静止状態の振動体5とモード6のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【0065】
図32乃至図45に示すように、第2のばね部12,13,及び第2のばね部15,16の分岐幅L2が、反射ミラー8の幅L1の2倍となった例では、さらに数多くの捻れ振動以外の振動モードが、捻れ振動の周波数より低い領域で発生することになり、光走査装置1の光の走査の安定性が低下する。従って、振動体5では、連結部17,18の長さ、即ち、第2のばね部12,13及び第2のばね部15,16の分岐幅(図11に示すL2)を反射ミラー8の幅(図11に示すL1)よりも狭くすることで、連結部17,18の質量M2を低下させることにより、高速化した故に避けがたい、水平方向および垂直方向の1次モード以外の振動モードの発生を抑制し、振動体5の捻れ振動を安定化させ、安定して光走査することができることが判明した。
【0066】
次に、上記のように構成された光走査装置1の動作について説明する。図1、図2及び図3を参照して説明する。まず、図1に示す映像信号供給回路104から供給される水平同期信号119は、図2に示す水平走査駆動回路121の発振器121aに入力され、発振器121aでは水平同期信号119に基づいて正弦波が生成される。その正弦波は、位相反転回路121b及び位相シフタ121cに入力され、位相シフタ121cでは、画像信号と反射ミラー部の位相を調整するための信号を生成し、当該信号がアンプ121eで電圧増幅されて、駆動電圧が入力端子a1,a2を介して、第2のばね部12に形成された駆動源aに供給され、また、同じ駆動電圧が入力端子b1,b2を介して、第2のばね部15に形成された駆動源bに供給される。
【0067】
他方、発振器121aから位相反転回路121bを通り、位相シフタ121dおよびアンプ121fを経由した駆動電圧が入力端子d1,d2を介して、第2のばね部13に形成された駆動源dに供給され、また、同じ駆動電圧が入力端子c1,c2を介して、第2のばね部16に形成された駆動源cに供給される。
【0068】
従って、駆動源a,bが、図3に於ける下側に撓んだ時には、第2のばね部12,15も図3に於ける下側に撓み、同時に、駆動源c,dが、図3に於ける上側に撓み、第2のばね部13,16も図3に於ける上側に撓むことになる。また、駆動源a,bが、図3に於ける上側に撓んだ時には、第2のばね部12,15も図3に於ける上側に撓み、同時に、駆動源c,dが、図3に於ける下側に撓み、第2のばね部13,16も図3に於ける下側に撓むことになる。従って、水平走査駆動回路121が、図1に示す映像信号供給回路104から供給される水平同期信号119に従って、駆動源a,b及び駆動源c,dに印加する駆動電圧を交互に共振周波数で振動(反転)させることにより、振動体5の第2のばね部12,15及び13,16が交互に反対方向に曲がり及び捻れるように撓んで、振動体5が共振周波数で共振して第1のばね部9,10に支持された反射ミラー8が、振動を繰り返して、反射ミラー8に入射するレザー光を水平走査することが可能となる。反射ミラー8で水平走査されたレーザ光は、リレー光学系126を経由して、垂直走査系102の反射ミラー部125に導かれ、反射ミラー部125に入射したレーザ光は、垂直方向に走査され、リレー光学系127により光束としてビーム整形されて、観察者の瞳孔に入射されると共に、網膜上に直接画像として結像される。尚、図8及び図9に示す光走査装置1を使用した場合には、駆動源e及び駆動源fが逆相で振動することにより、振動体5が共振周波数で共振して第1のばね部9,10に支持された反射ミラー8が、振動を繰り返して、反射ミラー8に入射するレザー光を水平走査することが可能となる。
【0069】
以上説明したように、本実施の形態の光走査装置1の振動体5では、連結部17,18の長さ、即ち、第2のばね部12,13及び第2のばね部15,16の分岐幅(図11に示すL2)を反射ミラー8の幅(図11に示すL1)よりも狭くすることで、連結部17,18の質量を低下させることにより、高速化した故に避けがたい、水平方向および垂直方向の1次モード以外の振動モードの発生を抑制し、振動体5の捻れ振動を安定化させ、安定して光走査することができる。
【0070】
尚、本発明は上記の実施の形態のように、光走査装置1を画像形成装置100に用いたものに限らず、レーザプリンタ、バーコードスキャナ、プロジェクタ等の走査装置を用いる各種の装置に利用することができ、この場合には、装置を小型化できるという効果がある。また、本発明では、光走査装置1の振動体5の上側をレーザ光が塚可能な透明なカバーで覆って振動体5を密封し、光走査装置1内部を減圧又は不活性ガスを充填しても良い。
【0071】
【発明の効果】
以上、説明したことから明らかなように、請求項1に係る発明の光走査装置では、反射ミラー部に連結され、振動により捻れ変位が発生する第1のばね部と、当該第1のばね部に連結され、且つ、固定枠部に第1のばね部の幅よりも広い間隔で分岐して連結されると共に、振動により曲げおよび捻れ変位が発生する第2のばね部の分岐幅が反射ミラー部の幅を超えないようになっているので、捻れ固有振動数より低い周波数範囲内における、垂直あるいは水平固有振動の高次振動モードの発生が低減される。これにより他の固有振動モードとの振動数の差を大きくできることから、捻れ共振させたときも、固有振動の重なりが発生せず、安定して光が走査できる。また、高い駆動周波数及び走査角を保ちながらも、不要振動モードあるいはそれらの重なりによる破損が低減し、安定して走査することができる。
【0072】
また、分岐している第2のばね部の各々に設けられている駆動源を互いに逆相で振動させるので、捻れ振動を効率よく発生させられることから、更に安定して光走査装置を駆動できる。
【0073】
また、請求項2に係る発明の画像形成装置では、請求項1に記載の発明の効果に加えて、駆動源に電気−機械変換効率の高い圧電体を使うことにより、低消費電力化をはかることができる。
【0074】
また、請求項3に係る発明の光走査装置では、請求項2に記載の発明の効果に加えて、駆動源は、薄膜形成法により形成されるので、第2のばね部上に接着剤を用いずに駆動源を形成することができる。
【0075】
また、請求項4に係る発明の光走査装置では、請求項3に記載の発明の効果に加えて、薄膜形成法としては、CVD、スパッタリング、水熱合成、ゾルゲル、微粒子吹き付けの何れかを用いることができるので、微細な第2のばね部と固定枠部との間に、一番適切な薄膜形成法を用いることができる。
【0076】
また、請求項5に係る発明の画像形成装置では、請求項1乃至4の何れかに記載の光走査装置を応用することにより、高精細な画像が提供でき、且つ、装置を小型化できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、本発明の一実施の形態である光走査装置1を備えた網膜走査型画像形成装置100の概略構成を示すブロック図である。
【図2】 図2は、水平走査駆動回路121のブロック図である。
【図3】 図3は、光走査装置1の斜視図である。
【図4】 図4は、光走査装置1の分解斜視図である。
【図5】 図5は、光走査装置1の反射ミラー8の表面の状態を示す分解斜視図である。
【図6】 図6は、振動体5の図4に於ける手前側から視た部分正面図である。
【図7】 図7は、振動体5の図4に於ける手前側から視た駆動源dの構造の詳細を示す部分正面図である。
【図8】 図8は、光走査装置1の第2の実施の形態の斜視図である。
【図9】 図9は、光走査装置1の第2の実施の形態の分解斜視図である。
【図10】 図10は、水平走査駆動回路121の第2の実施の形態のブロック図である。
【図11】 図11は、振動体5の振動特性を解析するための振動体5のコンピュータシュミレーションの図である。
【図12】 図12は、図11に示す振動体5のコンピュータシュミレーションでの静止状態を示す図である。
【図13】 図13は、モード1のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。
【図14】 図14は、モード2のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。
【図15】 図15は、モード3のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。
【図16】 図16は、モード4のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。
【図17】 図17は、静止状態の振動体5とモード1のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【図18】 図18は、静止状態の振動体5とモード2のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【図19】 図19は、静止状態の振動体5とモード3のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【図20】 図20は、静止状態の振動体5とモード4のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【図21】 図21は、第2のばね部15,16の分岐幅L2を1.1mmとした場合の振動体5の振動特性を解析するための振動体5のコンピュータシュミレーションの図である。
【図22】 図22は、図21に示す振動体5のコンピュータシュミレーションでの静止状態を示す図である。
【図23】 図23は、モード1のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。
【図24】 図24は、モード2のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。
【図25】 図25は、モード3のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。
【図26】 図26は、モード4のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。
【図27】 図27は、静止状態の振動体5とモード1のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【図28】 図28は、静止状態の振動体5とモード2のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【図29】 図29は、静止状態の振動体5とモード3のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【図30】 図30は、静止状態の振動体5とモード4のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【図31】 図31は、光走査装置1の振動体5の近似モデルを示す図である。
【図32】 図32は、第2のばね部15,16の分岐幅L2を2.0mmとした場合の振動体5の振動特性を解析するための振動体5のコンピュータシュミレーションの図である。
【図33】 図33は、図32に示す振動体5のコンピュータシュミレーションでの静止状態を示す図である。
【図34】 図34は、モード1のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。
【図35】 図35は、モード2のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。
【図36】 図36は、モード3のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。
【図37】 図37は、モード4のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。
【図38】 図38は、静止状態の振動体5とモード1のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【図39】 図39は、静止状態の振動体5とモード2のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【図40】 図40は、静止状態の振動体5とモード3のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【図41】 図41は、静止状態の振動体5とモード4のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【図42】 図42は、モード5のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。
【図43】 図43は、モード6のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを示す図である。
【図44】 図44は、静止状態の振動体5とモード5のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【図45】 図45は、静止状態の振動体5とモード6のときの振動体5の振動特性のコンピュータシュミレーションを重ね合わせた状態を示す図である。
【符号の説明】
1 光走査装置
5 振動体
7 固定枠部
8 反射ミラー
8a 光反射膜
9,10 第1のばね部
12,13,15,16 第2のばね部
17,18 連結部
100 画像形成装置
101 光源ユニット部
102 垂直走査系
103 水平走査系
107 コリメート光学系
111 青色レーザ
112 緑色レーザ
113 赤色レーザ
121 水平走査駆動回路
121a 発振器
121b 位相反転回路
121c,121d 位相シフタ
121e,121f アンプ
a,b,c,d,e,f 駆動源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical scanning device and an image forming apparatus including the optical scanning device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a resonance type optical scanning device that vibrates a reflection mirror unit using resonance is known (for example, see Patent Document 1). This optical scanning device includes a reflection mirror unit and Spring The reflection mirror unit is driven in the vibration mode by supplying the vibration corresponding to the natural vibration mode frequency determined by the elastic deformation unit and the reflection mirror unit from the drive source. The method was taken. In addition, a high-order vibration mode was used to scan light at high speed.
On the other hand, in the design of the resonance type optical scanning device, in order to stabilize the straightness of the scanning beam, Twist The thing which made the frequency of resonance lower than other vibration modes is proposed (for example, nonpatent literature 1).
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-104543
[Non-Patent Document 1]
Joe Ueda, Norihiro Asada “Considerations for Practical Use of Two-Dimensional Micro Magnetic Scanner” The Japan Society of Applied Magnetics 117th Meeting “Applications and New Developments of Thin Film Actuators”-Future Perspective in Magnetic Engineering 2001 May 22 Data p. 39-44
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in order to stabilize the straightness of the scanning beam of the optical scanning device, Twist When the resonance frequency is lower than other vibration modes, the optical scanning device Twist Since the resonance frequency cannot be increased, it is difficult to manufacture a high-speed optical scanning device. In addition, when the vibration frequency is increased and a higher-order vibration mode is used, the optical scanning device can be scanned at a high speed, but due to unnecessary overlapping of higher-order vibration modes or disturbances, etc. There is a problem that damage or stable light scanning cannot be performed. In order to increase the amplitude when using higher-order vibration modes, Spring Since the rigidity of the part was lowered, there was a problem that it was easily damaged due to disturbances and the like.
[0005]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and realizes a high-speed scanning light scanning device, and can stably drive with low driving energy without deteriorating the straightness of the scanning beam. It is an object of the present invention to provide a scanning device and an image forming apparatus including the optical scanning device.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve this object, an optical scanning device according to
[0007]
In the optical scanning device having this configuration, the optical scanning device is coupled to the reflection mirror unit and is caused by vibration. Twist The first displacement occurs Spring Part and the first Spring Connected to the fixed portion and the fixed frame portion to the first Spring It is branched and connected at intervals wider than the width of the part, and it is bent and Twist The second displacement occurs Spring Since the branching width of the part does not exceed the width of the reflecting mirror part, occurrence of a higher-order vibration mode of vertical or horizontal natural vibration within a frequency range lower than the torsional natural frequency is reduced. As a result, the difference in frequency from the other natural vibration modes can be increased. Therefore, even when torsional resonance is performed, overlapping of natural vibrations does not occur, and light can be scanned stably. In addition, while maintaining a high driving frequency and scanning angle, damage due to unnecessary vibration modes or their overlap is reduced, and scanning can be performed stably.
[0008]
[0009]
In the optical scanning device of this configuration, further, Branching second Spring Since the driving sources provided in each of the units are vibrated in opposite phases to each other, torsional vibration can be generated efficiently, so that the optical scanning device can be driven more stably.
[0010]
[0011]
An optical scanning device having this configuration is claimed in
[0012]
[0013]
An optical scanning device having this configuration is claimed in
[0014]
Claims 4 In the optical scanning device according to the present invention, 3 In addition to the operation of the invention described in (1), the thin film forming method is any one of CVD, sputtering, hydrothermal synthesis, sol-gel, and fine particle spraying.
[0015]
An optical scanning device having this configuration is claimed in
[0016]
[0017]
In the image forming apparatus having this configuration, the first aspect is provided. 4 By applying the optical scanning device described in any of the above, a high-definition image can be provided and the device can be miniaturized.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
First, an overall structure of a retinal scanning
[0020]
As shown in FIG. 1, an
[0021]
The
[0022]
Further, a
[0023]
The
[0024]
Collimating
[0025]
The
[0026]
Next, the
[0027]
Next, the details of the horizontal
[0028]
On the other hand, the driving voltage passing from the
[0029]
Next, the
[0030]
As shown in FIGS. 3 and 4, in the
[0031]
Next, the vibrating
[0032]
Next, the
[0033]
The
[0034]
The
[0035]
As described above, since the
[0036]
Next, the fixed
[0037]
Next, a method for manufacturing the vibrating
[0038]
Next, the formation of the drive sources a, b, c, and d will be described with reference to FIGS. 3, 4, 6, and 7. 6 is a partial front view of the vibrating
[0039]
The drive sources a, b, c, and d are composed of piezoelectric materials such as PZT, ZnO, and BST. Since the piezoelectric body is a member having high electro-mechanical conversion efficiency, the use of the piezoelectric body for the driving sources a, b, c, and d can reduce the power consumption. In addition, the driving sources a, b, c, and d from piezoelectric materials such as PZT, ZnO, and BST are formed using a thin film forming method such as CVD, sputtering, hydrothermal synthesis, sol-gel, and fine particle spraying. The
[0040]
Next, the details of the structure of the drive source d will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 7, the drive source d is formed from the
[0041]
Next, a second embodiment of the
[0042]
As shown in FIGS. 8 and 9, in the
[0043]
A driving source e, which is a laminated piezoelectric actuator, is fixed to the lower portion of the base table 2 in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the base table 2 by adhesion, and the direction orthogonal to the longitudinal direction of the base table 2 A drive source f, which is a laminated piezoelectric actuator, is fixed to the front side of the substrate by adhesion. An electrode e1 is provided above the drive source e, and an electrode e2 is provided below the drive source e. An electrode f1 is provided above the drive source f, and an electrode f2 is provided below the drive source f. Therefore, the drive source e is sandwiched between the electrodes e1 and e2, and the drive source f is sandwiched between the electrodes f1 and f2. The drive sources e and f are piezoelectric actuators configured by laminating piezoelectric materials such as PZT, ZnO, and BST. Since the piezoelectric body is a member having high electro-mechanical conversion efficiency, the use of the piezoelectric body for the drive sources e and f can reduce the power consumption. Here, by changing the polarity of the drive voltage applied between the electrode e1 and the electrode e2 at a predetermined frequency, the drive source e expands and contracts and vibrates. Further, the drive source f is expanded and contracted and vibrates by changing the polarity of the drive voltage applied between the electrodes f1 and f2 at a predetermined frequency. Therefore, the
[0044]
Next, the vibrating
[0045]
Next, details of the horizontal
[0046]
Specifically, the horizontal
[0047]
On the other hand, the driving voltage passing from the
[0048]
Next, the shape and vibration characteristics of the vibrating
[0049]
FIG. 12 is a diagram illustrating a stationary state in the computer simulation of the vibrating
[0050]
Hereinafter, with reference to FIGS. 13 to 20, computer simulation of vibration characteristics in each mode of the vibrating
[0051]
As shown in FIGS. 13 and 17, when the vibrating
[0052]
Next, in order to compare with the vibration characteristics of the vibrating
[0053]
FIG. 22 is a diagram illustrating a stationary state in the computer simulation of the vibrating
[0054]
Hereinafter, the computer simulation of the vibration characteristics of the vibrating
[0055]
As shown in FIGS. 23 and 27, when the vibrating
[0056]
Next, with reference to FIG. 31, the first to third vibration modes of vibration using the approximate model of the vibrating
[0057]
As shown in the analysis examples by computer simulation in FIGS. 13 to 30, when mode analysis of the natural frequency is performed, vertical or horizontal primary natural vibration is generated in a low frequency region. When the vibrating
[0058]
In the vibrating
[0059]
In the above embodiment,
[0060]
Further, when the length L2 of the connecting
[0061]
Next, referring to FIGS. 32 to 49, the length of the connecting
[0062]
FIG. 33 is a diagram illustrating a stationary state in the computer simulation of the vibrating
[0063]
FIG. 34 is a diagram illustrating computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
[0064]
FIG. 42 is a diagram showing computer simulation of the vibration characteristics of the vibrating
[0065]
As shown in FIGS. 32 to 45, the
[0066]
Next, the operation of the
[0067]
On the other hand, the drive voltage passing from the
[0068]
Therefore, when the driving sources a and b are bent downward in FIG. 3, the
[0069]
As described above, in the vibrating
[0070]
The present invention is not limited to the case where the
[0071]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, in the optical scanning device according to the first aspect of the present invention, the optical scanning device is coupled to the reflection mirror unit and is caused by vibration. Twist The first displacement occurs Spring Part and the first Spring Connected to the fixed portion and the fixed frame portion to the first Spring It is branched and connected at intervals wider than the width of the part, and it is bent and Twist The second displacement occurs Spring Since the branching width of the part does not exceed the width of the reflecting mirror part, occurrence of a higher-order vibration mode of vertical or horizontal natural vibration within a frequency range lower than the torsional natural frequency is reduced. As a result, the difference in frequency from the other natural vibration modes can be increased. Therefore, even when torsional resonance is performed, overlapping of natural vibrations does not occur, and light can be scanned stably. In addition, while maintaining a high driving frequency and scanning angle, damage due to unnecessary vibration modes or their overlap is reduced, and scanning can be performed stably.
[0072]
Also , Minutes Second Spring Since the driving sources provided in each of the units are vibrated in opposite phases to each other, torsional vibration can be generated efficiently, so that the optical scanning device can be driven more stably.
[0073]
[0074]
[0075]
Claims 4 In the optical scanning device according to the present invention, 3 In addition to the effects of the invention described in (2), as the thin film formation method, any one of CVD, sputtering, hydrothermal synthesis, sol-gel, and fine particle spraying can be used. In the meantime, the most appropriate thin film forming method can be used.
[0076]
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of a retinal scanning
FIG. 2 is a block diagram of a horizontal
FIG. 3 is a perspective view of the
FIG. 4 is an exploded perspective view of the
FIG. 5 is an exploded perspective view showing the state of the surface of the
6 is a partial front view of the vibrating
7 is a partial front view showing details of the structure of a drive source d as viewed from the near side in FIG. 4 of the vibrating
FIG. 8 is a perspective view of a second embodiment of the
FIG. 9 is an exploded perspective view of a second embodiment of the
FIG. 10 is a block diagram of a second embodiment of a horizontal
FIG. 11 is a diagram of computer simulation of the vibrating
FIG. 12 is a diagram illustrating a stationary state in the computer simulation of the vibrating
FIG. 13 is a diagram illustrating computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 14 is a diagram illustrating computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 15 is a diagram showing computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 16 is a diagram showing computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 17 is a diagram showing a state in which the
FIG. 18 shows a computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 19 shows a computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 20 shows a computer simulation of the vibration characteristics of the vibrating
FIG. 21 shows the second Spring It is a figure of the computer simulation of the vibrating
FIG. 22 is a diagram illustrating a stationary state in the computer simulation of the vibrating
FIG. 23 is a diagram illustrating computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
24 is a diagram showing computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 25 is a diagram showing a computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 26 is a diagram illustrating computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 27 is a diagram showing a state in which computer simulations of vibration characteristics of the
FIG. 28 shows a computer simulation of the vibration characteristics of the vibrating
FIG. 29 shows a computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 30 shows a computer simulation of the vibration characteristics of the vibrating
FIG. 31 is a diagram illustrating an approximate model of the vibrating
FIG. 32 shows the second Spring It is a figure of the computer simulation of the vibrating
33 is a diagram illustrating a stationary state in the computer simulation of the vibrating
FIG. 34 is a diagram showing computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 35 is a diagram showing a computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 36 is a diagram illustrating computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 37 is a diagram showing a computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 38 is a diagram showing a state in which computer simulations of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 39 shows a computer simulation of the vibration characteristics of the vibrating
FIG. 40 shows a computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 41 shows the computer simulation of the vibration characteristics of the vibrating
FIG. 42 is a diagram showing computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
43 is a diagram showing computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
FIG. 44 is a diagram showing a state in which the
FIG. 45 shows a computer simulation of vibration characteristics of the vibrating
[Explanation of symbols]
1 Optical scanning device
5 Vibrating body
7 Fixed frame
8 Reflection mirror
8a Light reflecting film
9, 10 1st spring part
12, 13, 15, 16 Second spring portion
17, 18 connecting part
100 Image forming apparatus
101 Light source unit
102 Vertical scanning system
103 Horizontal scanning system
107 collimating optical system
111 blue laser
112 green laser
113 red laser
121 Horizontal scan drive circuit
121a oscillator
121b Phase inversion circuit
121c, 121d phase shifter
121e, 121f amplifier
a, b, c, d, e, f
Claims (5)
前記ばね部は、
前記反射ミラー部に連結され、振動により捻れ変位が発生する第1のばね部と、
当該第1のばね部に連結され、且つ、前記固定枠部に前記第1のばね部の幅よりも広い間隔で分岐して連結されると共に、振動により曲げおよび捻れ変位が発生する第2のばね部とを備え、
前記第2のばね部は、平面視L字状の板材と、逆L字状の板材とを対称になるように接続し、その接続された箇所に板材から成る前記第1のばね部が連結され、且つ、前記第2のばね部の他端部が固定枠部に対して連結され、
前記固定枠部の少なくとも一部から当該固定枠部に接続される前記第2のばね部に沿って一方向に延出し、前記第2のばね部を振動させる駆動源と、
前記分岐している第2のばね部の各々に設けられている前記駆動源を互いに逆相で振動させるように駆動する駆動制御手段とをさらに備え、
前記駆動源の変位が前記第2のばね部で板材の板厚方向に対しての曲げとなり、前記第2のばね部の前記第1のばね部に連結される部分でその曲げが捻れ変位として第1のばね部に伝達され、
前記第2のばね部の分岐幅が前記反射ミラー部の幅を超えないことを特徴とした光走査装置。By vibrating at least a part of a vibrating body having a reflecting mirror part that reflects light, a spring part that extends from the reflecting mirror part and generates a torsional displacement due to vibration, and a fixed frame part that fixes the spring part. In a resonance type optical scanning device that scans light by changing a reflection direction of light incident on the reflection mirror unit,
The spring portion is
A first spring portion connected to the reflecting mirror portion and generating a twist displacement by vibration;
The second spring is connected to the first spring portion and is branched and connected to the fixed frame portion at an interval wider than the width of the first spring portion, and bending and twist displacement are generated by vibration. A spring portion,
The second spring portion connects the L-shaped plate material in plan view and the inverted L-shaped plate material so as to be symmetrical, and the first spring portion made of the plate material is connected to the connected portion. And the other end of the second spring part is connected to the fixed frame part,
A drive source extending in one direction along the second spring part connected to the fixed frame part from at least a part of the fixed frame part, and vibrating the second spring part;
Drive control means for driving the drive sources provided in each of the branched second spring portions so as to vibrate in mutually opposite phases;
The displacement of the drive source becomes a bending with respect to the plate thickness direction of the plate material at the second spring portion, and the bending becomes a torsional displacement at the portion connected to the first spring portion of the second spring portion. Transmitted to the first spring part,
An optical scanning device characterized in that the branch width of the second spring portion does not exceed the width of the reflection mirror portion.
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