JP4332038B2 - 偏向ミラー、光走査装置および画像形成装置 - Google Patents
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Description
これに対し、近年シリコンマイクロマシニングを利用した光偏向器の研究が進められており、特許文献1や特許文献2に開示されるように、シリコン(Si)基板を用い振動ミラーとそれを軸支するねじり梁とを一体的に形成す方式が提案されている。この方式によれば、共振を利用して往復振動させるので高速動作が可能であるにもかかわらず、騒音が低く、振動ミラーを回転する駆動力も小さくて済むので消費電力も低く抑えられるうえ、Siウエハ上に複数の振動ミラーをレイアウトし、バッチ処理により複数ウエハを同時加工するため、生産性に優れるという利点がある。
このため、生産効率が悪く、しかも、ばね定数の温度変化等に伴って共振周波数が変動してしまうため、共振周波数を安定化するための対策を施さなければならないといった問題があった。
より詳しく述べると、本発明では、走査周波数に対して振れ角の変化が大きい共振周波数近傍を避け、比較的変化が小さい共振周波数から外れた周波数領域に走査周波数を設定するとともに、同走査周波数において所定の振れ角を確保することで、共振周波数の変化に対して振れ角の安定性を向上することができる偏向ミラー(振動ミラー)を得ることを目的とする。また、本発明では上記目的に加えて、絶縁層を介し重ね合わせたSiウエハ基板を用い、Siマイクロマシニングによるバッチ処理により複数個の偏向ミラー(振動ミラー)を同時に加工することで、生産性を向上することを目的とし、さらには、走査周波数を設定する周波数領域を、できるだけ共振周波数から遠く外せるようにすることで、Siマイクロマシニングの加工ばらつきに対する許容範囲を拡大し、より生産性を向上することを目的とする。
さらに本発明では、上記のSiマイクロマシニングによる偏向ミラー(振動ミラー)を用い、個々の偏向ミラー(振動ミラー)に共振周波数のばらつきがあっても、高品位な画像記録が行なえる光走査装置を提供することを目的とする。
さらに本発明では、上記のSiマイクロマシニングによる偏向ミラー(振動ミラー)を用いた光走査装置を用いることで、小型で、省電力な画像形成装置を提供することを目的とする。
(1):光ビームを偏向する可動ミラーと、該可動ミラーと連結され回転軸心を規定するねじり梁と、上記可動ミラーに回転トルクを発生するミラー揺動手段と、を有する偏向ミラーにおいて、上記ミラー揺動手段は、可動ミラーの振れ角に応じて、第1の角度範囲で回転トルクを発生可能な第1のトルク発生手段と、第2の角度範囲で回転トルクを発生可能な第2のトルク発生手段とを有し、上記各角度範囲において駆動パルスを発生することで、回転トルクを発生させ、上記可動ミラーの一方向の回転時において第1、第2のトルク発生手段の駆動パルスを時系列に発生させ、上記可動ミラーをその共振周波数から外れた周波数領域で振幅駆動することを特徴とする。
(2):(1)に記載の偏向ミラーにおいて、起動時には、上記ミラー揺動手段が有する第1のトルク発生手段と第2のトルク発生手段のいずれか一方が上記ねじり梁をねじる方向での回転トルクを発生し、起動後は、上記ミラー揺動手段が有する第1のトルク発生手段と第2のトルク発生手段の両方が上記ねじり梁が戻る方向での回転トルクを発生することを特徴とする。
(3):(1)または(2)に記載の偏向ミラーにおいて、上記ミラー揺動手段は、以下のステップ、
1.上記第1、第2のトルク発生手段により可動ミラーを共振周波数またはその近傍で揺動する、
2.駆動周波数を共振周波数からスイープし、所定の走査周波数に設定する、
を経て上記可動ミラーを振幅駆動することを特徴とする。
(4):(1)乃至(3)のいずれか一つに記載の偏向ミラーにおいて、上記ミラー揺動手段は、第1、第2のトルク発生手段の少なくともいずれか一方に、駆動パルスのゲインを可変するゲイン調整手段を備え、上記可動ミラーの最大振れ角θを調整することを特徴とする。
(5):(1)乃至(4)のいずれか一つに記載の偏向ミラーにおいて、上記ミラー揺動手段は、第1、第2のトルク発生手段の少なくともいずれか一方に、駆動パルスの位相を可変する位相調整手段を備え、上記可動ミラーの振幅に対する上記駆動パルスの位相を調整することを特徴とする。
(6):(1)乃至(5)のいずれか一つに記載の偏向ミラーにおいて、上記第1、第2のトルク発生手段の角度範囲に、オーバーラップ領域を設けることを特徴とする。
(7):(1)乃至(6)のいずれか一つに記載の偏向ミラーにおいて、上記ねじり梁を介して上記可動ミラーと連結して形成する第1の基板と、該第1の基板と絶縁層を介して接合され上記可動ミラーの揺動空間を形成する第2の基板とを有し、第1のトルク発生手段を第1の基板に、第2のトルク発生手段を第2の基板にそれぞれ形成することを特徴とする。
(8):(7)に記載の偏向ミラーにおいて、上記第1、第2の基板を、少なくとも大気圧よりも減圧した状態に封止し、上記可動ミラーに入出射する光ビームの透過窓を有する封止手段と、上記トルク発生手段と接続され、封止する内外を貫通する端子手段とを備えることを特徴とする。
(9):(1)乃至(8)のいずれか一つに記載の偏向ミラーにおいて、上記ミラー揺動手段は、第3の角度範囲で回転トルクを発生可能な第3のトルク発生手段を備え、上記可動ミラーの回転方向に応じて、第1または第2のトルク発生手段と切り換えて駆動パルスを発生することを特徴とする。
(10):本発明の光走査装置は、上記の(1)乃至(9)のいずれか一つに記載の偏向ミラーと、該偏向ミラーにより往復走査される光ビームを射出する光源手段と、走査された光ビームを被走査面に結像する結像手段と、を有することを特徴とする。
(11):本発明の光走査装置の別の構成としては、(10)に記載の光走査装置を複数備え、各々の光走査装置により走査される被走査領域を走査方向に繋ぎ合わせて画像を形成することを特徴とする。
(12):本発明の画像形成装置は、(10)または(11)に記載の光走査装置と、該光走査装置により静電潜像を形成する像担持体と、上記潜像をトナーにより顕像化する現像手段と、上記トナー像を記録媒体に転写する転写手段とを有することを特徴とする。
尚、本発明は、第1、第2の角度範囲に限らず、異なる角度範囲で回転トルクを発生可能なトルク発生手段を複数備えていれば効果が得られ、言うまでもなく、トルク発生手段の数が多いほど、回転角度によらず安定的に回転トルクを維持でき、大きな効果が期待できる。
1.上記第1、第2のトルク発生手段により可動ミラーを共振周波数またはその近傍で揺動する、
2.駆動周波数を共振周波数からスイープし、所定の走査周波数に設定する、
のステップを経て可動ミラーを振幅駆動することにより、起動時において各トルク発生手段の回転トルクが発生可能な角度範囲を超える振れ角で振幅駆動させることができるので、各角度範囲を有効に用いて回転トルクを発生させることができ、共振周波数から外れた周波数領域において起動するよりも大きな振れ角で振幅駆動できる。
また、上記(8)に記載の偏向ミラーは、(7)の構成に加えて、上記第1、第2の基板を、少なくとも大気圧よりも減圧した状態に封止し、可動ミラーに入出射する光ビームの透過窓を有する封止手段と、上記トルク発生手段と接続され、封止する内外を貫通する端子手段とを備えることにより、上記可動ミラーにかかる粘性抵抗を軽減でき、外乱による影響を排除できるので、経時まで振れ角を安定的に維持することができる。
また、(11)に記載の光走査装置は、(10)に記載の光走査装置を複数備え、各々の光走査装置により走査される被走査領域を走査方向に繋ぎ合わせて画像を形成することにより、各光学系の走査幅が小さくできるので、光路長が短縮され、さらに小型化することができる。
また、第2の基板207は80μmのSi基板からなり、エッチングにより中央部を貫通し、上記固定枠210に形成した凹凸部と重なり合う内辺には、外郭が一致するように櫛歯状に凹凸を形成して同様に第3、第4の固定電極211、212となし、固定枠から島部224、225を分離した構成としている。この際、第1の基板における分離溝と重ならないよう分離溝を形成することで、島状に周囲を貫通しても接合された状態が保てるようにしている。第3、第4の固定電極211、212には、可動ミラー202の揺動に沿って第1、第2の可動電極が噛み合うように通過する。
本実施例では、第1のトルク発生手段を構成する第1、第2の固定電極203、204には同位相の電圧パルスを印加し、第2のトルク発生手段を構成する第3の固定電極211には第1、第2の固定電極203、204に印加する電圧パルスよりも進んだ位相の電圧パルス、第4の固定電極212には第1、第2の固定電極203、204に印加する電圧パルスよりも遅れた位相の電圧パルスが印加される。
いま、第3、第4の固定電極211、212の厚さ、いいかえれば第2の基板207の厚さをt、可動ミラー202の最大振れ角をθ(=5°)、幅を2L(=4mm)、第1の基板206の厚さをt0(=60μm)とするとき、
t0<t<L・sinθ
なる関係となるように設定し、
θ0=arcsin((t0+t)/L)
とすると、第1、第2の固定電極203、204には、
-θ0<α1<θ0
第3の固定電極211には、
θ0<α2<θ
第4の固定電極212には、
−θ<α3<−θ0
なる可動ミラーの振れ角の範囲に電圧パルスを印加している。
また、後述するように、走査開始側と走査終端側において、光ビームの走査時間を計測することにより振幅を検出し、振幅が所望の最大振れ角となるように電圧パルスのゲインを調整する。尚、ゲイン調整は、各固定電極のいずれか、例えば、第3、第4の固定電極211、212により行なえばよく、全ての固定電極ついて行なう必要はない。
第5、第6の固定電極を有するSi基板の形状、厚さは、上記第2の基板207と同様であり、第1の基板に第2の基板の接合面とは反対面に絶縁層を介して接合すればよい。
I=(4abρd/3)・a^2
となり、バネ定数Kは、
K=(G/2L)・{cd(c^2+d^2)/12}
となり、共振振動数fは、
f=(1/2π)・(K/I)^1/2
=(1/2π)・{Gcd(c^2+d^2)/24LI}^1/2
となる。
ここで、梁の長さLと振れ角θは比例関係にあるため、
θ=A/If^2 (Aは定数)
で表され、振れ角θは慣性モーメントIに反比例し、共振振動数fを高めるには慣性モーメントを低減しないと振れ角θが小さくなってしまう。
これらの慣性モーメントに利くパラメータ、ねじり梁の寸法誤差等が共振周波数のばらつきを発生させる要因となる。
F=εHV^2/2δ
となり、振れ角θは、
θ=B・F/I (Bは定数)
とも表され、電極長さHが長いほど振れ角θが大きくなり、櫛歯状とすることで櫛歯数nに対して2n倍の駆動トルクを得ている。
このように外周長をできるだけ長くして電極長をかせぐことで、低電圧でより大きい静電トルクが得られるように配慮している。
P=C・ηυ^2・E^3 (Cは定数)
であり、この粘性抵抗Pが可動ミラーの回転に対向して働く。従って、可動ミラーを密封し減圧状態に保持するのが望ましい。
基体241には、リード端子216が基体を貫通して一体化され、また、第2の基板上面には振動ミラーの電極パッドが、上記分離された島部224、225には絶縁膜を削除して、また、島部221、222、223は第2の基板に形成した貫通穴226、227、228に絶縁膜を介し金属ペーストを表面まで充填して形成され、各電極パッドとリード端子216先端とをワイヤーボンドにて接続する。そして、基体241の段差部243にキャップ242を被せ、減圧環境下でシール材を介して接合することでキャップ内の空間が1torr以下に密封されるようにしている。この際、非蒸発型ゲッタを同梱し、外部からの加熱で活性化することで、封止後に減圧させてもよい。光ビームは、キャップ上部開口の内側に接合された透過窓245を通じて入出射される。
これに対し、本実施例では、ねじり梁208をY字状に形成し、分岐枝部246の両端で可動ミラー202と連結するようにしている。尚、ねじり梁の幹部と分岐枝部との幅は同一である。このように連結位置をミラー端に近づけることで、ねじり梁208から伝わるねじり力Ftは分散され、分岐枝部の連結によって囲まれたミラー領域の曲げ応力が軽減し、平面性を改善できる。
P=β・p・sinφ
で表され、後述するように、転写ベルト上に形成されたラインの傾き補正量に応じてピッチPを調整している。
具体的には、画像データを読み出す同期検知信号の選択により、タイミングを1周期Tのk倍(k・T)毎にずらす。ここで、kは自然数で、L−k・pが最も0に近いkを選択する。次に、残りの分を振動ミラーの振幅位相を1周期Tの1/n倍(T/n)毎にずらして、p/n単位で補正する。ここで、nは自然数で、L−(k+1/n)・pが最も0に近いnを選択すればよい。このようにして転写ベルト638上において隣接する領域に記録されるライン像を繋ぎ合わせることができる。
P=L・tanΔθ
となるよう上記した方法により設定し、走査開始端では第2のビームの光量を最大、第1のビームを0、また、走査終端では、第1のビームを最大、第2のビームを0とし、第2のビームの光量が単調に増加するように、また、第2のビームの光量が単調に減少するように可変するとともに、走査方向の各位置で各々の和が一定となるようにすることで、図中太線で示すように走査方向に対して、潜像の重心の軌跡が走査ラインに対して右上がりに斜めに形成されるようにしている。隣接する領域についても同様に補正することにより、各々記録されるラインは平行に揃えられ、転写ベルト上では斜めに繋ぎ合わされて、傾いたラインが形成できる。
1.ビーム強度を可変する。
2.ビームのパルス幅を可変する。
詳細については、後述する半導体レーザの駆動制御にて説明するが、本実施例では、階段状に近似して光量を可変している。
尚、レジストずれ検出手段629では、各色間の傾きずれと同時にレジストずれ(平行シフト分)も検出できるが、これは、上記した隣接する光走査手段におけるライン像の継ぎ目補正方法を、光走査装置間に適用すればよく、同様に補正することができる。
ここで、振動ミラー間の相対的な位相遅れδを、1走査ラインピッチpを用いて、
δ=(1/fd)・{(Δy/p)−n}
(ここで、nは・(Δy/p)−n<1 を満足する自然数)
となるように与えれば、継ぎ目における位置ずれは1走査ラインピッチの整数倍となり、振動ミラーの1周期おきの書出しタイミング補正、つまりnライン周期分ずらして書き出すことにより副走査方向のレジストずれΔyを無効化することができ、継ぎ目の位置ずれのない高品位な画像が得られる。
尚、Δyはセンサ部802の傾斜角γ、光ビームの走査速度vを用いて、
Δy=(v/tanγ)・Δt
で表され、Δtが一定であれば走査位置ずれが生じていないことになる。本実施例では、この時間差を走査位置ずれ演算部610で監視することで走査位置ずれを検出し、Δt基準値に合うよう振動ミラー間の位相を常時可変して補正を行うことができる。
1)各振動ミラーへ印加する電圧パルスのゲイン調整により振れ角(振幅)を所定値に合わせる、
また、隣接する画像領域の継ぎ目位置ずれを、
2)可動ミラーの駆動周波数に対応して画素クロックをシフトすることで画像幅の倍率を可変し、走査終端と、隣接する光走査装置の走査開始端との継ぎ目を合わせる、
ことにより補正することができる。
いま、センサで検出される光ビームの走査角をθd、画像中央からの走査時間をt、可動ミラーの駆動周波数をfdとすると、
θd/θ0=sin2π・fd・t 、t=T/2
で与えられる。
上記補正は振動ミラーモジュールの各々で行われ、本実施例では3つの光走査手段から構成されるので、全ての補正が終了した後に印字動作を可能としている。
図24には、半導体レーザへの印加電流に対するビーム強度を示すが、ビーム強度はしきい値電流を超えると印加電流に比例して増加する。従って、このしきい値電流Ithから所定のビーム強度を得る最大電流Imまでの差Im−Ithをn分割、本実施例では255分割し、可変データ基づいて段階的に駆動電流を可変すればよい。
上記したように、一方の発光源には、同期検知信号をトリガとして、主走査方向の書込開始から書込終端にかけてIthまでImを徐々に減少させ、もう一方の発光源には、書込開始から書込終端にかけてImをIthから徐々に増加させる。
そこで、本実施例では、あらかじめ定められたモニタ信号の出力値が得られる駆動電流Im'の変化分をしきい値電流のバイアス分ΔIthとして一律に駆動電流に加算することで対処している。
上記と同様、一方の発光源を、同期検知信号をトリガとして、主走査方向の書込開始から書込終端にかけて1画素に相当する潜像径から減少させ、もう一方の発光源を、書込開始から書込終端にかけて1画素に相当する潜像径まで増加させる。
102:フレーム部材
106:ハウジング
109:シリンダレンズ
110:カップリングレンズ
113:同期検知センサ
116:第1の走査レンズ
117:第2の走査レンズ
130:振動ミラーモジュール
136:入射プリズム
138:カバー
202:可動ミラー
203:第1の固定電極
204:第2の固定電極
206:第1の基板
207:第2の基板
208:ねじり梁
210:固定枠
211:第3の固定電極
212:第4の固定電極
213:スリット開口
215:対向ミラー
241:基体
242:キャップ
500、640、641、642、643:光走査装置
501、638:転写ベルト(転写手段)
504、620、621、622、623:感光体ドラム(像担持体)
Claims (12)
- 光ビームを偏向する可動ミラーと、該可動ミラーと連結され回転軸心を規定するねじり梁と、上記可動ミラーに回転トルクを発生するミラー揺動手段と、を有する偏向ミラーにおいて、
上記ミラー揺動手段は、可動ミラーの振れ角に応じて、第1の角度範囲で回転トルクを発生可能な第1のトルク発生手段と、第2の角度範囲で回転トルクを発生可能な第2のトルク発生手段とを有し、上記各角度範囲において駆動パルスを発生することで、回転トルクを発生させ、
上記可動ミラーの一方向の回転時において第1、第2のトルク発生手段の駆動パルスを時系列に発生させ、
上記可動ミラーをその共振周波数から外れた周波数領域で振幅駆動することを特徴とする偏向ミラー。 - 請求項1記載の偏向ミラーにおいて、
起動時には、上記ミラー揺動手段が有する第1のトルク発生手段と第2のトルク発生手段のいずれか一方が上記ねじり梁をねじる方向での回転トルクを発生し、起動後は、上記ミラー揺動手段が有する第1のトルク発生手段と第2のトルク発生手段の両方が上記ねじり梁が戻る方向での回転トルクを発生することを特徴とする偏向ミラー。 - 請求項1または2に記載の偏向ミラーにおいて、
上記ミラー揺動手段は、以下のステップ、
1.上記第1、第2のトルク発生手段により可動ミラーを共振周波数またはその近傍で揺動する、
2.駆動周波数を共振周波数からスイープし、所定の走査周波数に設定する、
を経て上記可動ミラーを振幅駆動することを特徴とする偏向ミラー。 - 請求項1乃至3のいずれか一つに記載の偏向ミラーにおいて、
上記ミラー揺動手段は、第1、第2のトルク発生手段の少なくともいずれか一方に、駆動パルスのゲインを可変するゲイン調整手段を備え、上記可動ミラーの最大振れ角θを調整することを特徴とする偏向ミラー。 - 請求項1乃至4のいずれか一つに記載の偏向ミラーにおいて、
上記ミラー揺動手段は、第1、第2のトルク発生手段の少なくともいずれか一方に、駆動パルスの位相を可変する位相調整手段を備え、上記可動ミラーの振幅に対する上記駆動パルスの位相を調整することを特徴とする偏向ミラー。 - 請求項1乃至5のいずれか一つに記載の偏向ミラーにおいて、
上記第1、第2のトルク発生手段の角度範囲に、オーバーラップ領域を設けることを特徴とする偏向ミラー。 - 請求項1乃至5のいずれか一つに記載の偏向ミラーにおいて、
上記ねじり梁を介して上記可動ミラーと連結して形成する第1の基板と、該第1の基板と絶縁層を介して接合され上記可動ミラーの揺動空間を形成する第2の基板とを有し、第1のトルク発生手段を第1の基板に、第2のトルク発生手段を第2の基板にそれぞれ形成することを特徴とする偏向ミラー。 - 請求項7記載の偏向ミラーにおいて、
上記第1、第2の基板を、少なくとも大気圧よりも減圧した状態に封止し、上記可動ミラーに入出射する光ビームの透過窓を有する封止手段と、上記トルク発生手段と接続され、封止する内外を貫通する端子手段とを備えることを特徴とする偏向ミラー。 - 請求項1乃至8のいずれか一つに記載の偏向ミラーにおいて、
上記ミラー揺動手段は、第3の角度範囲で回転トルクを発生可能な第3のトルク発生手段を備え、上記可動ミラーの回転方向に応じて、第1または第2のトルク発生手段と切り換えて駆動パルスを発生することを特徴とする偏向ミラー。 - 請求項1乃至9のいずれか一つに記載の偏向ミラーと、該偏向ミラーにより往復走査される光ビームを射出する光源手段と、走査された光ビームを被走査面に結像する結像手段と、を有することを特徴とする光走査装置。
- 請求項10記載の光走査装置を複数備え、各々の光走査装置により走査される被走査領域を走査方向に繋ぎ合わせて画像を形成することを特徴とする光走査装置。
- 請求項10または11に記載の光走査装置と、該光走査装置により静電潜像を形成する像担持体と、上記潜像をトナーにより顕像化する現像手段と、上記トナー像を記録媒体に転写する転写手段とを有することを特徴とする画像形成装置。
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