JP4277921B2 - アクチュエータ、光スキャナおよび画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータ、光スキャナおよび画像形成装置に関するものである。

例えば、レーザープリンタ等にて光走査により描画を行うための光スキャナとして、捩り振動子で構成されたアクチュエータを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
例えば、特許文献１にかかるアクチュエータ（光スキャナ）は、１自由度振動系の捩り振動子で構成されている。すなわち、かかるアクチュエータは、可動板（反射ミラー部）を軸部材（ばね部）を介して支持部（固定枠部）に対し回動可能に支持して構成されている。

そして、軸部材を捩れ変形させながら可動板を回動駆動させることにより、光反射部で反射した光を走査する。これにより、光走査により描画を行うことができる。
このような捩り振動子で構成されたアクチュエータにあっては、その共振周波数で駆動すると、安定的に駆動することができる。
しかしながら、特許文献１にかかるアクチュエータにあっては、可動板の質量および軸部材のバネ定数が一定であるため、一旦製造した後は一定の共振周波数でしか駆動させることができない。つまり、製造されたアクチュエータの可動板の質量および軸部材のバネ定数が設計値からずれてしまうと、共振周波数も目的とする所望の値からずれてしまう。そのため、所望の回動特性を発揮することのできるアクチュエータを得ることが難しい。

特開２００４−１９１９５３号公報

本発明の目的は、製造後においても簡単かつ正確に可動板の共振周波数を調整することができ、所望の振動特性を発揮することのできるアクチュエータ、光スキャナおよび画像形成装置を提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のアクチュエータは、板状の可動板と、
前記可動板を回動可能に支持する弾性変形可能な１対の軸部材と、
前記１対の軸部材の軸線方向にかかる張力を調整する張力調整手段とを有し、
前記張力調整手段は、
前記１対の軸部材のうちの一方の軸部材に接合または一体化され、前記軸部材の軸線方向に対して直交するように設けられた捩り軸と、
前記捩り軸を捩り変形させる駆動源とを有し、
前記駆動源の作動により前記捩り軸を捩り変形させ、前記１対の軸部材にかかる前記張力を調整することで、前記１対の軸部材のバネ定数を調整するように構成されていることを特徴とする。
これにより、製造後においても簡単かつ正確に可動板の共振周波数を調整することができ、所望の振動特性を発揮することのできるアクチュエータを提供することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記張力調整手段は、前記１対の軸部材に対応するように前記捩り軸を１対有し、さらに、前記１対の捩り軸に対応するように前記駆動源を１対有していることが好ましい。
これにより、より広範囲にわたり１対の軸部材にかかる張力（つまり、１対の軸部材のバネ定数）を調整することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記捩り軸の捩り中心は、前記捩り軸と前記軸部材との接合部に対して、前記可動板の厚さ方向に離間していることが好ましい。
本発明のアクチュエータでは、前記捩り軸は、その軸線方向の両端部が固定されていることが好ましい。
これにより、比較的小さい力で捩り軸を捩り変形させることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記捩り軸は、その軸線方向の中央部にて、前記軸部材と接続していることが好ましい。
これにより、より小さい力で、１対の軸部材にかかる張力をより広範囲にわたって調整することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記駆動源は、前記１対の軸部材にかかる張力を増大させる方向へ、前記捩り軸を前記捩り変形させることが好ましい。
これにより、１対の軸部材の撓みを防止することができ、可動板の安定した回動を確保しつつ、１対の軸部材にかかる張力を調整することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記駆動源は、前記軸部材の軸線方向および前記捩り軸の軸線方向のそれぞれに直交する方向に伸縮する圧電素子と、該圧電素子の伸縮方向の一端部と接合している圧電素子接合部と、該圧電素子接合部と前記捩り軸とを連結する連結部とを有し、
前記圧電素子を伸縮させることで前記圧電素子接合部を変位させ、それに伴う前記連結部の変位により、前記捩り軸を前記捩り変形させるように構成されていることが好ましい。
これにより、比較的簡単な構成で、捩り軸を捩り変形させることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記圧電素子接合部は、前記捩り軸に対して前記可動板と反対側に設けられていることが好ましい。
これにより、アクチュエータの設計の自由度が向上する。
本発明のアクチュエータでは、前記連結部は、前記捩り軸の軸線方向の中央部に接続していることが好ましい。
これにより、より小さい力で、捩り軸を捩り変形させることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記連結部は、前記可動板の平面視にて、前記軸部材の軸線に沿って設けられていることが好ましい。
これにより、圧電素子の伸縮により発生する力をより効率的に捩り軸に伝達することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記圧電素子は、複数の圧電体層と複数の電極層とを交互に積層してなるものであることが好ましい。
このような圧電素子を用いることで、駆動電圧を低減しつつ、変位量を大きくすることができる。

本発明のアクチュエータでは、通電により前記可動板を回動させる駆動手段を有し、
前記張力調整手段は、前記駆動手段に印加する電圧の周波数と前記可動板の共振周波数とが等しくなるように前記１対の軸部材にかかる張力を変更するように構成されていることが好ましい。
これにより、低電圧駆動を図りつつ、可動板を大きく回動させることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記可動板の一方の面には、光反射性を有する光反射部が設けられていることが好ましい。
これにより、アクチュエータを光スキャナ、光スイッチ、光アッテネータなどの光学デバイスに用いることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記駆動源は、前記軸部材の軸線方向および前記捩り軸の軸線方向のそれぞれに直交する方向に伸縮する圧電素子と、該圧電素子の伸縮方向の一端部と接合している圧電素子接合部と、該圧電素子接合部と前記捩り軸とを連結する連結部とを有し、
前記圧電素子は、前記可動板に対して、前記光反射部と反対側に設けられていることが好ましい。
これにより、アクチュエータの設計の自由度が向上する。

本発明の光スキャナは、板状をなし、その板面に光反射性を有する光反射部を備える可動板と、
前記可動板を回動可能に支持する弾性変形可能な１対の軸部材と、
前記１対の軸部材の軸線方向にかかる張力を調整する張力調整手段とを有し、
前記張力調整手段は、
前記１対の軸部材のうちの一方の軸部材に接合または一体化され、前記軸部材の軸線方向に対して直交するように設けられた捩り軸と、
前記捩り軸を捩り変形させる駆動源とを有し、
前記駆動源の作動により前記捩り軸を捩り変形させ、前記１対の軸部材にかかる前記張力を調整することで、前記１対の軸部材のバネ定数を調整するように構成されていることを特徴とする。
これにより、製造後においても簡単かつ正確に可動板の共振周波数を調整することができ、所望の振動特性を発揮することのできる光スキャナを提供することができる。

本発明の画像形成装置は、板状をなし、その板面に光反射性を有する光反射部を備える可動板と、
前記可動板を回動可能に支持する弾性変形可能な１対の軸部材と、
前記１対の軸部材の軸線方向にかかる張力を調整する張力調整手段とを有し、
前記張力調整手段は、
前記１対の軸部材のうちの一方の軸部材に接合または一体化され、前記軸部材の軸線方向に対して直交するように設けられた捩り軸と、
前記捩り軸を捩り変形させる駆動源とを有し、
前記駆動源の作動により前記捩り軸を捩り変形させ、前記１対の軸部材にかかる前記張力を調整することで、前記１対の軸部材のバネ定数を調整するように構成された光スキャナを備えることを特徴とする。
これにより、優れた描画特性を発揮することのできる画像形成装置を提供することができる。

以下、本発明のアクチュエータ、光スキャナおよび画像形成装置の好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明のアクチュエータの第１実施形態を示す模式的平面図、図２は、図１中のＡ−Ａ線断面図、図３は、図１に示すアクチュエータが備える張力調整手段の作動を説明するための模式的断面図、図４は、図１に示すアクチュエータが備える圧電素子を示す模式的斜視図、図５は、図１中Ｂ−Ｂ線断面図、図６は、制御系を示すブロック図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言い、図２、３、５中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
各図に示すように、アクチュエータ１は、図１に示すような基体２と、スペーサ部材４を介して基体２を支持する支持基板３と、基体２が備える可動板２１を回動させる駆動手段５と、基体２が備える１対の軸部材２２１、２２２にかかる張力を調整する張力調整手段６と、張力調整手段６の作動を制御する制御手段７とを有している。

以下、これらについて順次説明する。
図１に示すように、基体２は、可動板２１と、可動板２１を両持ち支持する１対の軸部材２２１、２２２と、１対の軸部材２２１、２２２と接続する１対の捩り軸２３１、２３２と、捩り軸２３１、２３２を支持する枠状の支持部２６と、後述する圧電素子８１、８２が接合された１対の圧電素子接合部２５１、２５２と、圧電素子接合部２５１、２５２と捩り軸２３１、２３２とを連結する連結部２４１、２４２とで構成されている。

なお、図１に示すように、本実施形態では、１対の軸部材２２１、２２２、１対の捩り軸２３１、２３２、１対の圧電素子接合部２５１、２５２、１対の連結部２４１、２４２は、それぞれ、可動板２１を中心として、左右対称となるように設けられている。
また、１対の軸部材２２１、２２２、１対の捩り軸２３１、２３２、１対の圧電素子接合部２５１、２５２、１対の連結部２４１、２４２は、それぞれ、互いに同様の構成となっている。

そのため、以下では、図１中にて可動板２１の左側に位置する軸部材２２１と、捩り軸２３１と、圧電素子接合部２５１と、連結部２４１とについて代表して説明し、可動板２１の右側に位置する軸部材２２２と、捩り軸２３２と、圧電素子接合部２５２と、連結部２４２とについては、その説明を省略する。
可動板２１は、円盤状をなしている。なお、可動板２１の形状としては、特に限定されず、例えば、平面視にて楕円形状や四角形状をなす板状であってもよい。
そして、可動板２１の上面（つまり、支持基板３と反対側の面）には、光反射性を有する光反射部２１１が形成されており、可動板２１の下面には、永久磁石５１が設けられている。このような可動板２１は、１対の軸部材２２１、２２２によって両側から支持されている。

図１に示すように、軸部材２２１は、棒状をなしている。この軸部材２２１は、その長手方向での一端（図１中右側の端）が可動板２１に、他端（図１中左側の端）が捩り軸２３１にそれぞれ接続している。
１対の軸部材２２１、２２２は、同軸的に設けられており、この軸を回動中心軸Ｘとして可動板２１が支持部２６に対して回動する。

図１に示すように、捩り軸２３１は、回動中心軸Ｘ（つまり、軸部材２２１、２２２の軸線方向、以下同様）および可動板２１の厚さ方向（つまり、図１の上下方向）のそれぞれに対して直交するＹ軸まわりに捩れ変形可能に構成されている。
そして、アクチュエータ１は、後述する駆動源６１により、捩り軸２３１をＹ軸まわりに捩り変形させることで、１対の軸部材２２１、２２２にかかる張力を調整し、それにより１対の軸部材２２１、２２２のバネ定数を調整する。

捩り軸２３１は、Ｙ軸に沿って延在する長手形状をなしていて、その長手方向の両端が支持部２６に固定されている。このように、捩り軸２３１をＹ軸に沿って延在する長手形状とすることで、比較的小さい力で捩り軸２３１をＹ軸まわりに捩り変形させることができる。
また、捩り軸２３１は、その長手方向の中央部で軸部材２２１と接続している。捩り軸２３１は、前述したように、その長手方向の両端部が支持部２６に固定されている。そのため、捩り軸２３１の長手方向の中央部が最もＹ軸まわりに捩り変形させやすい部分である（つまり、より小さい力で、より大きく捩り変形させることができる部分である）。したがって、このような部分に軸部材２２１が接合していることで、より小さい力で、１対の軸部材２２１、２２２にかかる張力をより広範囲にわたって調整することができる。

また、捩り軸２３１の厚さ（図２中上下方向での厚さ）をＴ１とし、軸部材２２１の厚さ（図２中上下方向での厚さ）をＴ２としたとき、Ｔ１がＴ２よりも厚くなっている。そして、図２において、Ｙ軸は、捩り軸２３１と軸部材２２１との接合部よりも下側に位置している。これにより、可動板２１と支持基板３とのギャップを大きくすることができ、可動板２１を大きく回動させることができる。
なお、捩り軸２３１と軸部材２２１との接合部とＹ軸との位置関係は、特に限定されず、例えば、図２にて、Ｙ軸が捩り軸２３１と軸部材２２１との接合部に対して上側に位置していてもよい。

本実施形態では、捩り軸２３１の上面と軸部材２２１の上面とが、平坦面を構成している。これにより、例えば、シリコン基板をエッチングすることで基体２を得る場合などには、シリコン基板の一方の面側を除去するだけで、捩り軸２３１の厚さＴ１よりも薄い厚さＴ２の軸部材２２１を形成することができる。つまり、基体２の製造の簡易化を図ることができる。なお、捩り軸２３１の上面と軸部材２２１の上面とが、平坦面を構成していなくてもよい。

また、捩り軸２３１の形状、大きさ等によっても異なるが、１対の軸部材２２１、２２２にかかる張力を調整する場合、通常、捩り軸２３１の捩り量は、微量である。そのため、捩り軸２３１が捩り変形しても、可動板２１は、ほとんど変位しない。つまり、アクチュエータ１は、可動板２１の変位を抑制しつつ、１対の軸部材２２１、２２２にかかる張力を調整することができる。これにより、例えば、アクチュエータ１を光学デバイスとして用いた場合には、図示しない光源と光反射部２１１との離間距離を所望の距離に保つことができ、前記光源から照射され光反射部２１１で反射された光を走査対象の所望の走査位置に走査させることができる。

以上のような捩り軸２３１と、支持部２６の左側部分とで画成された空間２７内には、圧電素子接合部２５１が設けられている。つまり、圧電素子接合部２５１は、捩り軸２３１に対して可動板２１と反対側に設けられている。これにより、圧電素子接合部２５１の配置（つまり、圧電素子８１の配置）の自由度が向上し、アクチュエータ１の設計の自由度が向上する。

圧電素子接合部２５１は、板状をなしていて、その下面に後述する圧電素子８１が接合している。本実施形態では、圧電素子接合部２５１は、可動板２１の平面視にて、略正方形状をなしているが、これに限定されず、例えば、長方形状であってもよいし、円状であってもよい。このような圧電素子接合部２５１は、連結部２４１を介して捩り軸２３１と接続している。

連結部２４１は、長手形状をなしていて、図１の平面視にて、回動中心軸Ｘに沿って設けられている。そして、連結部２４１は、その長手方向の一端（右側の端）が捩り軸２３１に、他端（左側の端）が圧電素子接合部２５１に、それぞれ接続している。
このような連結部２４１は、捩り軸２３１の長手方向の中央部に接続している。
また、連結部２４１の幅（つまり、Ｙ軸方向での長さ）は、軸部材２２１の幅よりも若干太い。また、連結部２４１の厚さは、捩り軸２３１の厚さとほぼ等しい。

なお、連結部２４１形状としては、圧電素子接合部２５１と捩り軸２３１とを連結していれば特に限定されない。例えば、連結部２４１が長手形状をなしていなくてもよいし、連結部２４１の幅が軸部材２２１の幅よりも細くてもよいし、連結部２４１の厚さが捩り軸２３１の厚さよりも厚くてもよい。
このような連結部２４１と圧電素子接合部２５１とは、圧電素子８１とともに、捩り軸２３１をＹ軸まわりに捩り変形させる駆動源６１を構成している。つまり、駆動源６１が空間２７内に設置されていると言える。

以上説明したような基体２は、例えば、シリコンを主材料として構成されていて、可動板２１と、１対の軸部材２２１、２２２と、１対の捩り軸２３１、２３２と、１対の圧電素子接合部２５１、２５２と、１対の連結部２４１、２４２と、支持部２６とが一体的に形成されている。
例えば、シリコン基板を用意し、このシリコン基板を可動板２１と、１対の軸部材２２１、２２２と、１対の捩り軸２３１、２３２と、１対の圧電素子接合部２５１、２５２と、１対の連結部２４１、２４２と、支持部２６のそれぞれの平面視形状に対応するようにエッチングすることにより、可動板２１と、１対の軸部材２２１、２２２と、１対の捩り軸２３１、２３２と、１対の圧電素子接合部２５１、２５２と、１対の連結部２４１、２４２と、支持部２６とが一体的に形成された基体２を簡単に得ることができる。また、このように、シリコンを主材料とすることで、優れた回動特性を実現できるとともに、優れた耐久性を発揮することができる。また、微細な処理（加工）が可能であり、アクチュエータ１の小型化を図ることができる。

以上、説明した基体２は、図２に示すように、スペーサ部材４を介して支持基板３により支持されている。
スペーサ部材４は、例えば、ガラスやシリコンを主材料として構成されている。このようなスペーサ部材４は、支持部２６の平面視形状と一致するように形成されている。すなわち、スペーサ部材４は、枠状をなしている。

スペーサ部材４の内壁によって空間４１が画成されていて、この空間４１は、アクチュエータ１の駆動の際に、可動板２１が支持基板３に接触するのを防止する空間である。なお、スペーサ部材４の形状としては、可動板２１の回動を許容することができれば特に限定されない。
支持基板３は板状をなし、例えば、ガラスやシリコンを主材料として構成されている。このような支持基板３は、スペーサ部材４を介して基体２の下面（つまり、光反射部２１１と反対側の面）と対向するように設けられている。

図２に示すように、支持基板３の上面（基体２と対向する面）であって、可動板２１と対向する位置には、コイル５２が設けられている。つまり、可動板２１の下面に設けられた永久磁石５１とコイル５２とが対向している。このようなコイル５２は、電流印加手段５３と接続されている。このような永久磁石５１とコイル５２と電流印加手段５３とは、可動板２１を回動させるための駆動手段５を構成している。この駆動手段５については、後述する。

また、支持基板３の上面であって、圧電素子接合部２５１と対向する位置には、圧電素子８１が設けられている。同様に、支持基板３の上面であって、圧電素子接合部２５２と対向する位置には、圧電素子８２が設けられている。
ここで、圧電素子８１、８２について説明するが、圧電素子８１、８２は互いに同様の構成を有しているため、圧電素子８１について代表して説明し、圧電素子８２については、その説明を省略する。

圧電素子８１は、基体２に対して光反射部２１１と反対側に設けられている。そのため、アクチュエータ１の設計の自由度が向上する。
また、圧電素子８１は、その伸縮方向の一端（つまり、上端）が圧電素子接合部２５１の下面と、他端（つまり、下端）が支持基板３の上面と、それぞれ接合している。つまり、圧電素子８１は、支持基板３と圧電素子接合部２５１とに狭持されるように設けられている。このような圧電素子８１は、通電によって可動板２１の厚さ方向へ伸縮する。

図４に示すように、このような圧電素子８１は、平面視にて四角形状をなしており、圧電性を有する複数の圧電体層８１１と、各圧電体層８１１に電圧を印加するための複数の電極層８１２とが可動板２１の厚さ方向に交互に積層されている。このような積層型の圧電素子８１は、駆動電圧を低減しつつ、変位量を大きくすることができる。
複数の圧電体層８１１は、隣接する圧電体層８１１の分極方向が互いに反対方向となるように形成されている。すなわち、複数の圧電体層８１１のうちの支持基板３側から奇数番目の圧電体層８１１の分極方向は、偶数番目の圧電体層８１１の分極方向と反対方向となっている。これにより、より確実に、駆動電圧を低減しつつ、圧電素子８１の変位量を大きくすることができる。なお、本明細書において、「分極方向」とは、圧電体層に電界も応力も加えない状態において、圧電体層の一方の面付近に正電荷、他方の面付近に負電荷が過剰に存在しているとき（自発分極または残留分極のとき）、圧電体層の負電荷が過剰に存在している面から、正電荷が過剰に存在している面へ向かう方向を言う。

そして、各電極層８１２は、隣接する圧電体層８１１同士の間に介挿されている。また、隣接する２つの電極層８１２が重なり領域（活性領域）をもつように複数の電極層８１２が形成されている。複数の電極層８１２のうち、支持基板３側から奇数番目の電極層８１２は、圧電素子８１の側面に設けられた共通電極８１３に接続しており、偶数番目の電極層８１２は、圧電素子８１の側面に設けられた共通電極８１４に接続している。

このような共通電極８１３、８１４は、それぞれ電源回路８３に接続されている。そして、電源回路８３が共通電極８１３、８１４に電圧を印加することで、前記重なり領域にて各圧電体層８１１に電圧を印加することができる。その結果、各圧電体層８１１がその厚さ方向へ伸縮する。
なお、共通電極８１３、８１４は、圧電素子８１の側面に設けられていなくてもよく、例えば、支持基板３に形成されていてもよい。また、共通電極８１３、８１４を省略し、支持基板３側から奇数番目の電極層８１２、および、偶数番目の電極層８１２のそれぞれを電源回路８３と直接接続してもよい。

各圧電体層８１１を構成するための圧電材料としては、例えば、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、その他、各種のものが挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができるが、特に、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウムおよびチタン酸ジルコン酸鉛のうちの少なくとも１種を主とするものが好ましい。このような材料で各圧電体層８１１を構成することにより、より高い周波数でアクチュエータ１を駆動することができる。

以上、アクチュエータ１の構成について説明した。
このようなアクチュエータ１は、駆動源６１の作動により捩り軸２３１を捩り変形させるとともに、駆動源６２の作動により捩り軸２３２を捩り変形させることで、１対の軸部材２２１、２２２にかかる張力を調整し、１対の軸部材２２１、２２２のバネ定数を調整するように構成されている。つまり、１対の捩り軸２３１、２３２と、１対の駆動源６１、６２とで、１対の軸部材２２１、２２２のバネ定数を調整する張力調整手段６を構成していると言える。

以下、張力調整手段６の作用について説明するが、駆動源６１、６２の作用は互いに同様の構成であるため、駆動源６１の作用について代表して説明し、駆動源６２の作用については、その説明を省略する。
電源回路８３が作動していない（つまり、圧電素子８１に電圧が印加されていない）場合には、図２に示すように、圧電素子８１の上面と可動板２１の上面とが、可動板２１の厚さ方向にて、ほぼ等しい位置となっている。言い換えれば、基体２がフラットな状態となっている。

そして、電源回路８３の作動により圧電素子８１を収縮させると、図３に示すように、圧電素子８１の上端が圧電素子接合部２５１とともに下方向に変位する。すると、圧電素子接合部２５１の変位に合わせて連結部２４１の左端側が下方向へ変位し、連結部２４１が傾斜する。このように連結部２４１が傾斜することで、捩り軸２３１がＹ軸まわりに捩れ変形する。

つまり、駆動源６１は、１対の軸部材２２１、２２２の張力を増大させる方向へ捩り軸２３１を捩り変形させるように構成されている。言い換えれば、駆動源６１は、捩り軸２３１と軸部材２２１との接合部が可動板２１から離間する方向へ変位するように捩り軸２３１を捩り変形させるように構成されている。つまり、駆動源６１は、捩り軸２３１を図２にて、反時計まわりに捩り変形させる。

仮に、駆動部６１が、捩り軸２３１と軸部材２２１との接合部を可動板２１に接近する方向へ変位させるように捩り軸２３１を捩り変形させても、１対の軸部材２２１、２２２のバネ定数を調整することはできる。しかし、この場合には、捩り軸２３１の捩り量にもよるが、１対の軸部材２２１、２２２が撓み、可動板２１がその厚さ方向へ変位してしまう可能性がある。

一方、捩り軸２３１と軸部材２２１との接合部が可動板２１から離間する方向へ変位するように捩り軸２３１を捩り変形させると、前述したような軸部材２２１、２２２の撓みが防止される。つまり、アクチュエータ１は、可動板２１の安定した回動を確保しつつ、１対の軸部材２２１、２２２のバネ定数を調整することができる。
ここで、前述したように、連結部２４１は、捩り軸２３１の長手方向の中央部に接続している。捩り軸２３１において、その長手方向の中央部が最も捩り変形させやすい部分であるため、このような部分に連結部２４１を接合することで、より小さい力で、捩り軸２３１をＹ軸まわりに捩り変形させることができる。

また、前述したように、連結部２４１は、回動中心軸Ｘに沿って設けられているため、圧電素子８１の伸縮により発生する力をより効率的に捩り軸２３１に伝達することができる。
また、前述したように、Ｙ軸は、捩り軸２３１と軸部材２２１との接合部よりも下側に位置している。そのため、圧電素子接合部２５１と支持基板３との間に圧電素子８１を設け、その圧電素子８１を収縮させることで、１対の軸部材２２１、２２２の張力を増大させる方向へ捩り軸２３１を捩り変形させることができる。

つまり、空間４１内に圧電素子８１を収容することができ、アクチュエータ１の小型化を図ることができる。さらに、圧電素子８１を収縮させて１対の軸部材２２１、２２２のバネ定数を調整するため、圧電素子接合部２５１が基体２の上面から突出してしまうことを防止することができ、この点からもアクチュエータ１の小型化を図ることもできる。
以上のような駆動源６１によれば、比較的簡単な構成で、捩り軸２３１を捩り変形させることができる。また、このような構成によれば、捩り軸２３１を捩り変形させるためのトルクを大きく発生させることができるため、捩り軸２３１を所望の捩り量に維持することが容易となる。

また、張力調整手段６は、１対の捩り軸２３１、２３２と、１対の駆動源６１、６２とを有しているため、より広範囲にわたり１対の軸部材２２１、２２２のバネ定数を調整することができる。
以上のような張力調整手段６を用いることで、製造後においても簡単かつ正確に１対の軸部材２２１、２２２のバネ定数を変更することができ、所望の振動特性を発揮することのできるアクチュエータ１を提供することができる。また、アクチュエータ１が駆動している最中であってもリニアに１対の軸部材２２１、２２２のバネ定数を調整することができるため、アクチュエータ１は、極めて優れた回動特性を発揮することができる。

次に、可動板２１を回動させるための駆動手段５について説明する。
駆動手段５は、前述したように、永久磁石５１とコイル５２と電流印加手段５３とで構成されている。
永久磁石５１は、可動板２１の板面に沿って設けられている。このような永久磁石５１は、図１や図５に示すように、長手形状をなしていて、回動中心軸Ｘに直交する方向へ延在するように設けられている。そして、永久磁石５１は、その長手方向に磁化している。つまり、永久磁石５１は、回動中心軸Ｘに対して一方の側がＮ極、他方の側がＳ極となっている。

このような永久磁石５１としては、特に限定されず、ネオジウム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石などを好適に用いることができる。
コイル５２は、電流印加手段５３に接続されており、例えば、この電流印加手段５３によってコイル５２へ交流電流を印加すると、コイル５２付近に可動板２１の板面に対して垂直方向の磁力線を有する磁界が発生し、かつ、その磁界の向きが交互に切り替わる。

これにより、図５にて、永久磁石５１の回動中心軸Ｘに対して右側の部分がコイル５２に接近する方向に変位するとともに、左側の部分がコイル５２から離間する方向へ変位する状態（「第１の状態」という）と、永久磁石５１の回動中心軸Ｘに対して右側の部分がコイル５２から離間する方向に変位するとともに、左側の部分がコイル５２に接近する方向へ変位する状態（「第２の状態」という）とが、交互に繰り返される。

このような第１の状態と第２の状態とを交互に繰り返すことで、可動板２１が回動中心軸Ｘまわりに回動する。なお、電流印加手段５３によってコイル５２へ交流電流を印加するものについて説明したが、可動板２１を回動させることができれば、これに限定されず、例えば、電流印加手段５３は、コイル５２に直流電流を間欠的に印加するように構成されていてもよい。

ここで、アクチュエータ１の駆動に際し、電流印加手段５３がコイル５２へ印加する電流の周波数（以下、「駆動周波数Ｖ１」ともいう）と可動板２１の共振周波数（以下、「共振周波数Ｖ２」ともいう）とが一致していることが好ましい。これにより、低電圧駆動を図りつつ、可動板２１を大きく回動させることができる。なお、本明細書において、「可動板２１の共振周波数」とは、可動板２１と１対の軸部材２２１、２２２とで構成された振動系の捩り共振周波数を意味するものである。このような可動板２１の共振周波数は、可動板２１の質量（光反射部２１１、磁石５１の質量を含む）と、１対の軸部材２２１、２２２のバネ定数（捩り剛性）のそれぞれに依存する。

そこで、アクチュエータ１は、張力調整手段６により、共振周波数Ｖ２が駆動周波数Ｖ１と等しくなるように、１対の軸部材２２１、２２２にかかる張力（つまり、１対の軸部材２２１、２２２のバネ定数）を調整するように構成されている。通常、駆動周波数Ｖ１は、アクチュエータ１の使用目的によって適宜設定されるものであるから、共振周波数Ｖ２を駆動周波数Ｖ１に合わせ込むことで、所望の振動特性を発揮することのできるアクチュエータ１を提供することができる。

なお、前述したように、本実施形態では、１対の軸部材２２１、２２２の張力が増大する方向へ捩り軸２３１を捩り変形させるように構成されているため、つまり、１対の軸部材２２１、２２２のバネ定数を高めるように構成されているため、アクチュエータ１の製造時にて、共振周波数Ｖ２が駆動周波数Ｖ１よりも若干低くなるように、アクチュエータ１を設計しておくことが好ましい。

以下、共振周波数Ｖ２を駆動周波数Ｖ１に合わせ込む方法を説明する。
アクチュエータ１は、共振周波数Ｖ２を検出する共振周波数検出手段９と、共振周波数検出手段９の検知結果に基づいて張力調整手段６の作動を制御する制御手段７とを備えている。そして、例えば、アクチュエータ１の電源投入直後に、共振周波数検出手段９により共振周波数Ｖ２を検出し、その検出された共振周波数Ｖ２に基づいて制御手段７が電源回路８３の作動を制御する。なお、電源投入直後に共振周波数Ｖ２を共振周波数検出手段９により検出しなくてもよく、例えば、電源投入後、一定時間ごとに共振周波数Ｖ２を検出してもよい。

共振周波数検出手段９は、軸部材２２１上に設けられ、変形により抵抗値が変化する検出素子９１と、検出素子９１の抵抗値変化に基づいて可動板２１の挙動（つまり、振幅）を検知し、検知された可動板２１の挙動から共振周波数Ｖ２を検出する検出部９２とを有している。
軸部材２２１は、可動板２１の回動時に、回動中心軸Ｘまわりに捩り変形するため、このような軸部材２２１上に検出素子９１を設けると、軸部材２２１の捩り変形とともに検出素子９１も変形し、検出素子９１の抵抗値が変化する。

検出部９２は、例えば、検出素子９１に電圧を印加する図示しない電源ユニットと、該電源ユニットと検出素子９１とで構成される回路内の電流値変化を検知する（つまり、検出用圧電素子９１の抵抗値変化を検知する）図示しない電流値測定部とを有している。そして、電流値測定部で測定された電流値変化に基づいて可動板２１の挙動を検知し、その検知結果に基づいて、共振周波数Ｖ２を検出する。

ただし、共振周波数検出手段９としては、共振周波数Ｖ２を検出することができれば、特に限定されず、例えば、駆動手段５が備える電流印加手段５３からコイル５２へ印加する電流の周波数を信号発生器により変更しながら、可動板２１の振幅を周波数ＬＤＶ（レーザードップラーベロシティ流速計）で測定することにより、可動板２１の共振周波数Ｖ２を測定してもよい。

制御手段７は、例えば、共振周波数Ｖ２と駆動周波数Ｖ１とが一致するまで電源回路８３から圧電素子８１へ印加する電圧（電源回路８４から圧電素子８２へ印加する電圧についても同様、以下同じ）を徐々に高くしていき、すなわち、圧電素子８１を徐々に収縮させていき、共振周波数Ｖ２と駆動周波数Ｖ１とが一致したところで電源回路８３から圧電素子８１へ印加する電圧を一定に維持するように、電源回路８３を制御する。このようにして、アクチュエータ１は、共振周波数Ｖ２を駆動周波数Ｖ１に合わせ込む。
なお、制御手段７は、必要時に電源回路８３の作動を制御すればよく、例えば、共振周波数検出手段９により検出された共振周波数Ｖ２と予め設定されている駆動周波数Ｖ１とが一致している場合などには、電源回路８３を作動させなくてもよい。

また、制御手段７は、電源回路８３の電圧を徐々に高くしていくように電源回路８３の作動を制御する必要はなく、例えば、共振周波数Ｖ２と駆動周波数Ｖ１との差に対応した電圧値があらかじめ複数設定されており、共振周波数検出手段９の検出結果に基づいて複数の電圧値から選択された電圧値を圧電素子８１に印加するように電源回路８３の作動を制御するものであってもよい。
以上、本発明のアクチュエータについて説明した。このアクチュエータには、光反射部が設けられているため、アクチュエータ１を光スキャナ、光スイッチ、光アッテネータなどの光学デバイスに用いることができる。

本発明の光スキャナは、可動板の一方の板面に、光反射性を有する光反射部が設けられている以外は、本願発明のアクチュエータと同様の構成である。本発明の光スキャナの実施形態としては、前述した実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。
このような光スキャナは、例えば、プロジェクタ、レーザープリンタ、イメージング用ディスプレイ、バーコードリーダー、走査型共焦点顕微鏡などの画像形成装置に好適に適用することができる。その結果、優れた描画特性を有する画像形成装置を提供することができる。

具体的に、図７に示すようなアクチュエータ１を用いたプロジェクタ１００について説明する。なお、説明の便宜上、スクリーンＳの長手方向を「横方向」といい、長手方向に直角な方向を「縦方向」という。
プロジェクタ１００は、レーザーなどの光を照出する光源装置１０１と、複数のダイクロイックミラー１０２と、１対のアクチュエータ１、１とを有している。

光源装置１０１は、赤色光を照出する赤色光源装置１０１ａと、青色光を照出する青色光源装置１０１ｂと、緑色光を照出する緑色光源装置１０１ｃとを備えている。
ダイクロイックミラー１０２は、４つの直角プリズムを貼り合わせて構成され、赤色光源装置１０１ａ、青色光源装置１０１ｂ、緑色光源装置１０１ｃのそれぞれから照出された光を合成する光学素子である。

このようなプロジェクタ１００は、図示しないホストコンピュータからの画像情報に基づいて、赤色光源装置１０１ａ、青色光源装置１０１ｂ、緑色光源装置１０１ｃのそれぞれから照出された光をダイクロイックミラー１０２で合成し、この合成された光が、アクチュエータ１、１によって走査され、スクリーンＳ上でカラー画像を形成するように構成されている。

ここで、アクチュエータ１、１の光走査について具体的に説明する。
まず、ダイクロイックミラー１０２で合成された光は、一方のアクチュエータ１によってスクリーンＳの横方向に走査される（主走査）。そして、この横方向に走査された光は、他方のアクチュエータ１によってさらにスクリーンＳの縦方向に走査される（副走査）。これにより、２次元カラー画像をスクリーンＳ上に形成することができる。

以上、本発明のアクチュエータ、光スキャナおよび画像形成装置について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明のアクチュエータ、光スキャナおよび画像形成装置では、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。

また、前述した実施形態では、アクチュエータは、可動板を中心にほぼ左右対称な形状をなしている構造を説明したが、非対称であってもよい。
また、前述した実施形態では、張力調整手段は、１対の軸部材に対応するように設けられた１対の捩り軸と、１対の捩り軸に対応するように設けられた１対の駆動源とを備えているものについて説明したが、捩り軸と駆動源とを１組備えていればよい。この場合、例えば、１対の軸部材のうちの捩り軸と接合していない方の軸部材の端部は、枠状支持部に固定されている。

また、前述した実施形態では、積層型の圧電素子を用いていたが、圧電素子接合部を変位させることができれば、単層型の圧電素子を用いてもよい。
また、前述した実施形態では、圧電素子を収縮させることで捩り軸を捩り変形させるものについて説明したが、圧電素子を伸張させることで捩り軸を捩り変形させてもよい。
また、前述した実施形態では、可動板を回動させる駆動手段として、永久磁石とコイルとを用いたいわゆる電磁駆動方式のものについて説明したが、これに限定されず、圧電素子の伸縮により軸部材を捩り変形させて可動板を回動させるいわゆる圧電駆動方式や、可動板と支持基板との間に発生させたクーロン力によって可動板を回動させるいわゆる静電駆動方式を用いてもよい。

本発明のアクチュエータの好適な実施形態を示す模式的平面図である。 図１中のＡ−Ａ線断面図である。 図１に示すアクチュエータが備える張力調整手段の作動を示す図である。 図１に示すアクチュエータが備える圧電素子を示す模式的斜視図である。 図１中Ｂ−Ｂ線断面図である。 制御系を示すブロック図である。 図１に示すアクチュエータを備える画像形成装置の概略図である。

符号の説明

１……アクチュエータ ２……基体 ２１……可動板 ２１１……光反射部 ２２１、２２２……軸部材 ２３１、２３２……捩り軸 ２４１、２４２……連結部 ２５１、２５２……圧電素子接合部 ２６……支持部 ２７……空間 ３……支持基板 ４……スペーサ部材 ４１……空間 ５……駆動手段 ５１……永久磁石 ５２……コイル ５３……電流印加手段 ６……張力調整手段 ６１、６２……駆動源 ７……制御手段 ８１、８２……圧電素子 ８１１……圧電体層 ８１２……電極層 ８１３、８１４……共通電極 ８３、８４……電源回路 ９……共振周波数検出手段 ９１……検出素子 ９２……検出部 １００……プロジェクタ １０１……光源装置 １０１ａ……赤色光源装置 １０１ｂ……青色光源装置 １０１ｃ……緑色光源装置 １０２……ダイクロイックミラー １０３……固定ミラー Ｓ……スクリーン Ｘ……回動中心軸 Ｙ……軸

Claims (16)

1. 板状の可動板と、
   前記可動板を回動可能に支持する弾性変形可能な１対の軸部材と、
   前記１対の軸部材の軸線方向にかかる張力を調整する張力調整手段とを有し、
   前記張力調整手段は、
   前記１対の軸部材のうちの一方の軸部材に接合または一体化され、前記軸部材の軸線方向に対して直交するように設けられた捩り軸と、
   前記捩り軸を捩り変形させる駆動源とを有し、
   前記駆動源の作動により前記捩り軸を捩り変形させ、前記１対の軸部材にかかる前記張力を調整することで、前記１対の軸部材のバネ定数を調整するように構成されていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記張力調整手段は、前記１対の軸部材に対応するように前記捩り軸を１対有し、さらに、前記１対の捩り軸に対応するように前記駆動源を１対有している請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記捩り軸の捩り中心は、前記捩り軸と前記軸部材との接合部に対して、前記可動板の厚さ方向に離間している請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記捩り軸は、その軸線方向の両端部が固定されている請求項１ないし３のいずれかに記載のアクチュエータ。
5. 前記捩り軸は、その軸線方向の中央部にて、前記軸部材と接続している請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 前記駆動源は、前記１対の軸部材にかかる張力を増大させる方向へ、前記捩り軸を前記捩り変形させる請求項１ないし５のいずれかに記載のアクチュエータ。
7. 前記駆動源は、前記軸部材の軸線方向および前記捩り軸の軸線方向のそれぞれに直交する方向に伸縮する圧電素子と、該圧電素子の伸縮方向の一端部と接合している圧電素子接合部と、該圧電素子接合部と前記捩り軸とを連結する連結部とを有し、
   前記圧電素子を伸縮させることで前記圧電素子接合部を変位させ、それに伴う前記連結部の変位により、前記捩り軸を前記捩り変形させるように構成されている請求項１ないし６のいずれかに記載のアクチュエータ。
8. 前記圧電素子接合部は、前記捩り軸に対して前記可動板と反対側に設けられている請求項７に記載のアクチュエータ。
9. 前記連結部は、前記捩り軸の軸線方向の中央部に接続している請求項８に記載のアクチュエータ。
10. 前記連結部は、前記可動板の平面視にて、前記軸部材の軸線に沿って設けられている請求項９に記載のアクチュエータ。
11. 前記圧電素子は、複数の圧電体層と複数の電極層とを交互に積層してなるものである請求項７ないし１０のいずれかに記載のアクチュエータ。
12. 通電により前記可動板を回動させる駆動手段を有し、
    前記張力調整手段は、前記駆動手段に印加する電圧の周波数と前記可動板の共振周波数とが等しくなるように前記１対の軸部材にかかる張力を変更するように構成されている請求項１ないし１１のいずれかに記載のアクチュエータ。
13. 前記可動板の一方の面には、光反射性を有する光反射部が設けられている請求項１ないし１２のいずれかに記載のアクチュエータ。
14. 前記駆動源は、前記軸部材の軸線方向および前記捩り軸の軸線方向のそれぞれに直交する方向に伸縮する圧電素子と、該圧電素子の伸縮方向の一端部と接合している圧電素子接合部と、該圧電素子接合部と前記捩り軸とを連結する連結部とを有し、
    前記圧電素子は、前記可動板に対して、前記光反射部と反対側に設けられている請求項１３に記載のアクチュエータ。
15. 板状をなし、その板面に光反射性を有する光反射部を備える可動板と、
    前記可動板を回動可能に支持する弾性変形可能な１対の軸部材と、
    前記１対の軸部材の軸線方向にかかる張力を調整する張力調整手段とを有し、
    前記張力調整手段は、
    前記１対の軸部材のうちの一方の軸部材に接合または一体化され、前記軸部材の軸線方向に対して直交するように設けられた捩り軸と、
    前記捩り軸を捩り変形させる駆動源とを有し、
    前記駆動源の作動により前記捩り軸を捩り変形させ、前記１対の軸部材にかかる前記張力を調整することで、前記１対の軸部材のバネ定数を調整するように構成されていることを特徴とする光スキャナ。
16. 板状をなし、その板面に光反射性を有する光反射部を備える可動板と、
    前記可動板を回動可能に支持する弾性変形可能な１対の軸部材と、
    前記１対の軸部材の軸線方向にかかる張力を調整する張力調整手段とを有し、
    前記張力調整手段は、
    前記１対の軸部材のうちの一方の軸部材に接合または一体化され、前記軸部材の軸線方向に対して直交するように設けられた捩り軸と、
    前記捩り軸を捩り変形させる駆動源とを有し、
    前記駆動源の作動により前記捩り軸を捩り変形させ、前記１対の軸部材にかかる前記張力を調整することで、前記１対の軸部材のバネ定数を調整するように構成された光スキャナを備えることを特徴とする画像形成装置。

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