JP4575628B2 - 光偏向器及びその製造方法、光走査モジュール、光走査装置、画像形成装置、画像表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光偏向器及びその製造方法、光走査モジュール、光走査装置、画像形成装置、画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光走査装置は、光ビームを走査する偏向器としてポリゴンミラーやガルバノミラーが用いられているが、より高解像度な画像と高速プリントを達成するにはこの回転をさらに高速にしなければならず、軸受の耐久性や風損による発熱、騒音が課題となり、高速走査に限界がある。
【０００３】
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すすめられており、特許第２７２２３１４号や特許第３０１１１４４号、特許第２９２４２００号に開示されるように、シリコン基板で可動ミラーとそれを軸支するトーションバーを一体形成した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、騒音が低いという利点がある。さらに可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。
【０００４】
一方、マイクロマシニングにより可動ミラーとトーションバーを一体形成したものではないが、特開平１１−２１８７０９号公報には、可動ミラーの振動時に発生するたわみを補正する補正手段を設けたものが開示され、特開平４−８６６１６号公報には、可動ミラーの往復方向の切り換え時に発生するたわみ振動を防止するため制振部材を設けたものが開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のシリコンマイクロマシニングを利用した可動ミラーは、共振振動によるため高速動作が可能で、駆動力が小さくて済むという特徴をもつ反面、可動ミラー自体を共振周波数に合った寸法形状にしなければならず、また、小さい駆動力で振幅をかせぐには重量を軽くする必要がある。このため、ミラーの厚みが薄くなり振幅時のたわみが生じ易くなる。図１６に示すように、可動ミラー１は正弦波振動するため、振れ角が大きくなるに従って負の加速度が生じ、回転方向に反する方向に慣性力を生じる。これに伴いトーションバー２を挟んだ両端部３，４がトーションバー２と直交する方向に撓んでしまい、これによって光ビームの偏向方向が変化し、被走査線上で走査速度むらが生じる。また、撓んだ可動ミラーの曲率により光ビームの集束位置ずれ、いわゆるピントずれが生じるといった不具合が生じる。
【０００６】
また、特許第３０１１１４４号、特許第２９２４２００号には、トーションバーを挟んだ可動ミラーの両端部に可動電極を設け、それと対向して固定電極を設け、可動電極と固定電極間の静電引力によって可動ミラーを駆動する方式において、各電極を櫛歯状に組み合わせることで電極の面積をかせぎ、より大きな静電引力を得た例が開示されている。一般的に可動ミラーに初期変位を与えるため、各可動電極とそれに対向する固定電極を厚さ方向に段差を設けている。このため、可動ミラーがいずれか一方に傾いた状態では、両可動電極のうち一方は固定電極から遠ざかってしまうために、両可動電極のうち他方の固定電極に近い方の静電引力だけしか作用せず、両可動電極と固定電極間の静電引力を有効に活用しているとは言い難いという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みなされたものであり、可動ミラーの厚さが薄くても往復振動を行っているときに可動ミラーが撓み変形し難くする光偏向器及びその製造方法、光走査モジュール、光走査装置、画像形成装置、画像表示装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、可動ミラーとそれを軸支するトーションバーが一体形成されており、往復振動する可動ミラーで光ビームを反射することにより、光ビームを偏向する光偏向器において、
前記可動ミラーの基板に内部応力を発生させることにより、少なくとも前記トーションバーを含む断面内で湾曲させアーチ型にし、
前記可動ミラーの基板に発生させた内部応力の大きさを前記トーションバーを結ぶ線の左右で非対称として前記トーションバーの断面に生じさせたねじれモーメントにより前記可動ミラーを無負荷状態で傾かせたことにより、
可動ミラーの厚さが薄くても往復振動を行っているときに可動ミラーが撓み変形し難くすることができ、可動ミラーを薄くできるので可動ミラーを小さい電力によって大きな振幅で往復振動させることができ、可動ミラーを湾曲させるための部材を追加する必要がなく、可動電極と固定電極との間に初期変位を持たせることができ、可動ミラー両端の可動電極と固定電極とが同一面上に配置されるので往復振動時に各々の距離が等しくなり、可動ミラー両端に均等に静電引力が加わり静電引力を有効に活用することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の光偏向器において、
前記可動ミラーは、その表面または裏面に応力発生膜を設けたことにより、
可動ミラーの湾曲を大きくできると共に曲率を調整することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２記載の光偏向器の製造方法において、
前記可動ミラーは、内部応力が残留するシリコン基板を表裏いずれか一方の面からエッチングにより薄肉化して製造することにより、
湾曲した可動ミラーを簡単に製造することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか記載の光偏向器と、
前記光偏向器の可動ミラー自体に回動力を与え往復振動させる可動ミラー駆動手段とを有し、
発光源で発光した光ビームを前記光偏向器の可動ミラーで反射することにより光走査を行うことにより、
省電力の光走査モジュールを提供することができる。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項５または６記載の光走査モジュールを、光走査方向に複数備え、主走査方向を一致させて配列したことにより、
画像記録幅を複数の光走査モジュール分の画像記録幅に拡大することができ、様々な記録幅の画像を形成できる。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の光走査装置と、
前記光走査装置によって静電像が形成される像担持体と、
静電像をトナーで顕像化する現像手段と、
顕像化されたトナー像を記録紙に転写する転写手段とを有することにより、
省電力の画像形成装置を提供することができる。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、請求項５または６記載の光走査モジュールと、
前記光走査モジュールから出射される光ビームを前記光走査モジュールの走査方向と直交する方向に走査する走査手段と、
前記走査手段から出射される光ビームを被走査面に投写する投写手段とを有することにより、
省電力の画像表示装置を提供することができる。
【発明の実施の形態】
図１は、光走査装置に配備される本発明の光走査モジュールの一実施例の分解斜視図を示す。同図中、ミラー基板１０２はシリコン基板をエッチングにより裏側を四角にくり貫いて所定厚さに枠部と天板部とを残し、天板部には可動ミラー１００及びそれを軸支する一対のトーションバー１０１をその周囲を貫通して形成する。この実施例では２００μｍのシリコン基板を用い可動ミラーとトーションバーの厚さ、つまり天板部の厚さは６０μｍ、可動ミラー幅は４ｍｍ×４ｍｍ、トーションバーは幅８０μｍ、長さ約１ｍｍとしている。また、基板裏側の中空部は可動ミラー１００の揺動空間をなす。
【００１７】
ミラー基板１０２は、その表面をウエハ基板の研磨面をそのまま用い、裏側をエッチングによりくり貫いている。ミラー基板１０２の基となるウエハ基板はその形成工程、研磨工程の際に内部応力を残留しており、裏側をエッチングして内部応力を開放することで、表面と裏面とで内部応力の差を持たせる。これによって図２に示すように、可動ミラー１００は、表面がドーム型になるように湾曲させている。
【００１８】
さらに、その表面に応力発生膜としての酸化膜（または窒化膜）を形成し、酸化膜形成時に生じる引っ張り応力によって上記湾曲を大きくして、より小さい曲率半径となるようにしている。また、酸化膜上にはアルミニューム等の金属被膜を蒸着やスパッタリングなどにより形成し、ミラー面を形成する。
【００１９】
ところで、表面がドーム型の可動ミラー１００を形成する場合には、図３に矢印で示すように、可動ミラー１００の中心位置から周辺に向かう内部応力（引っ張り応力）を残留させて、トーションバー１０１を含む断面内及びトーションバー１０１と直交する断面内で湾曲させているが、図４に矢印で示すように、トーションバー１０１の軸線（両トーションバー１０１を結ぶ線）と平行な方向にのみ内部応力（引っ張り応力）を残留させて、トーションバー１０１を含む断面内で湾曲させ、表面がアーチ型の可動ミラー１００としても良い。このような可動ミラー１００の形状の制御は、可動ミラー１００の表面に成膜する薄膜の膜厚を不均一にしたり、部分的にイオンを打ち込むことで、内部応力のバランスを変えることで行う。なお、図３、図４では、可動ミラー１００は凸面鏡であるが、逆に凹面鏡を構成しても良い。
【００２０】
トーションバー１０１を挟んで可動ミラー１００の両端部は櫛歯状に凹凸が形成され、表面に金属被膜を成膜して端面に沿った部位を可動電極１０４となす。可動電極１０４と対向するミラー基板１０２の外枠側の端面は、ミラー基板と同じ厚さで上記櫛歯状の可動電極１０４と噛み合うよう５μｍ程度のクリアランスをもって、同様に金属被膜を成膜した櫛歯状の固定電極１２１が形成されている。可動ミラーが水平な状態の時に可動電極１０４は固定電極１２１に対し基板の厚さ方向に同一部位で対向する。
【００２１】
しかしながら、上記したように可動ミラー１００には表裏で内部応力差を有するため、この大きさがトーションバー１０１の軸線（両トーションバー１０１を結ぶ線）に対し対称に均衡していないと、言い換えれば左右の内部応力Ｆ１，Ｆ２の釣り合い中心がトーションバー１０１の軸線（両トーションバー１０１を結ぶ線）上から左右に外れると、トーションバー１０１の断面にもねじれモーメントを生じ、図５に示すように、可動ミラー１００は傾いた状態で保持されることになる。本実施例ではこの不均衡な状態（Ｆ１＞Ｆ２）をつくり出すことによって、図中左側の可動電極１０４と固定電極１２１との段差δが３〜５μｍになるようにしている。
【００２２】
このようにして、可動電極１０４と固定電極１２１との間に初期変位（段差δ）を持たせることができ、可動ミラー１００の両端の可動電極１０４と固定電極１２１とが同一面上に配置されるので往復振動時に各々の距離が等しくなり、可動ミラー１００両端に均等に静電引力が加わり静電引力を有効に活用することができる。
【００２３】
可動ミラー１００は、図２に示すように内部応力により均等に張力が生じ一様な曲率の球面に形成される。従って、平面の時よりも副走査方向（トーションバー１０１の軸線方向）における断面２次モーメントが大きくなり、可動ミラー１００の回転方向に反して生じる慣性力や回転方向が切り換わった直後の負荷変動に対して、撓みが生じ難くなる。
【００２４】
この曲率は剛性面からすれば小さい方が有利であることは言うまでもないが、この実施例では主走査方向と副走査方向とで結像倍率が異なるカップリングレンズ１１０により半導体レーザ１０８からの光ビームの集束位置を主走査方向と副走査方向とで変えることにより、主走査方向では平行光束になり、副走査方向では可動ミラー１００のミラー面で一旦、集束するようにしている。可動ミラー１００が曲面になると主走査方向では平行光束になり、副走査方向ではミラー面で集束するという２つの条件のいずれか一方に合うようにカップリングレンズ１１０の配置調整を行っても被走査面上で主走査方向と副走査方向の結像位置に差が残ってしまうため、光学性能面から図５に示す湾曲の厚みＤはλ／２（ここでλはＬＤ光源の波長）以下であることが望ましく、曲率半径は３〜５ｍになるよう設定している。
【００２５】
更に、主走査方向と副走査方向とで曲率半径が異なると結像位置が合わせ難くなるため、実施例のように可動ミラー１００の中心位置から放射状に応力を発生させ、球面に近い曲率を生じさせ、主走査方向と副走査方向とで曲率を一致させることが望ましい。
【００２６】
なお、可動ミラー１００の曲率は、表面に形成した酸化膜の膜厚を変えることや、酸化膜にネオン等不活性の希ガスのイオンを打ち込むことによって内部応力を変化させ、調整することができる。
【００２７】
また、上記実施例では引っ張り応力を有する酸化膜を形成しているが、裏面に圧縮応力を有する薄膜を形成してもよく、薄膜の膜種も酸化膜に限らずフッ化マグネシウム等を用いても同様に効果がある。
【００２８】
上記したように可動ミラー１００を曲面にすることで回転に伴う撓み変形を生じ難くできるが、必ずしも球面状にする必要はなく、図４に示すように、トーションバーを含む断面内（副走査方向）で曲率をもっていれば、回転に伴う撓み変形を生じ難くする効果はある。
【００２９】
上記固定電極１２１に電圧を印加すると対向する可動電極１０４との間に静電引力が発生し、トーションバー１０１をねじって可動ミラー１００は水平な状態まで戻る、電圧を解除するとトーションバー１０１の復元により傾いた状態に戻る。固定電極１２１への電圧印加を周期的に切り換える、言い換えれば交流電圧を与えることにより可動ミラー１００は往復振動し、この周波数を可動ミラー１００の固有振動数に近づけると共振状態となって振幅が増幅される。
【００３０】
この実施例では記録速度に合うように可動ミラー１００の固有振動数を設定、つまり、断面２次モーメントＩを与える可動ミラー１００の厚さ、トーションバー１０１の幅と、長さを決定している。一般に、最大振れ角θ０は可動ミラー１００を支えるトーションバー１０１の弾性係数Ｇ、断面２次モーメントＩ、長さＬで決定されるばね定数Ｋと、静電引力によって与えられるトルクＴとにより、次式で表される。
【００３１】
θ０＝Ｔ／Ｋ、
ここで、Ｋ＝Ｇ・Ｉ／Ｌ
また、可動ミラー１００の共振周波数ｆｄは慣性モーメントＪとすると次式で表される。
【００３２】
ｆｄ＝（Ｋ／Ｊ）^１／２
上式から明らかなように静電引力が小さくても済むようにするには慣性モーメントを小さくする必要があり、可動ミラー１００の厚さを薄くすることが効果的である。
【００３３】
図１において、ミラー基板１００の上面には２枚のシリコン基板１０５，１０３を貼り合せて構成した対向ミラー基板が接合される。第１の基板１０５は結晶面方位＜１１０＞から約９°のスライス角度を傾けたウエハを用い、エッチングにより基板面より２６．３°傾けた傾斜面を形成し、金属被膜を蒸着して反射面１０６となす。第２の基板１０３は結晶面方位＜１１１＞から約９°のスライス角度を傾けたウエハを用い、エッチングにより基板面より９°傾けた傾斜面を形成し、金属被膜を蒸着して反射面１２２となす。また、図６の断面図に示すように、第２の基板１０３には光ビームが通過する開口部１０３−１を反射面１２２と隣接して貫通し、この開口部を挟み屋根状に１４４．７°の角度をなす反射面１０６と１２２とを対で配備した構成となす。
【００３４】
プリズム１１６には光ビームの入射面１１６−２、射出面１１６−４、可動ミラー１００それぞれに光ビームを反射する反射面１１６−１および接合面１１６−３とが形成され、上記第２の基板１０３上面に可動ミラー１００の揺動空間を覆うように接合される。また、入射面１１６−２にはカップリングレンズ１１０からの光ビームを所定の径に整形するアパーチャマスクが成膜される。
【００３５】
図６に示すように、開口部１０３−１から可動ミラー１００に所定の角度（例えば２０°）で入射した光ビームは上記反射面１０６で反射され、再度、可動ミラー１００で反射され、反射面１２２との間で複数回反射を繰り返して副走査方向に反射点を往復して移動しながら再び開口部１０３−１を通ってプリズム１１６に入射し、射出面１１６−４から射出される。このように複数回反射を繰り返すことで、可動ミラー１００の小さい振れ角で大きな走査角が得られるようにしている。例えば、可動ミラー１００での総反射回数Ｎ（例えばＮ＝５）、振れ角αとすると走査角θはθ＝２Ｎαとなる。
【００３６】
支持フレーム１０７は焼結金属等で成形され、絶縁材を介してリード端子１１５が挿入されてなる。支持フレーム１０７には上記したミラー基板１０２を実装する接合面１０７−１、カップリングレンズ１１０を位置決め接着するＶ溝１０７−２、接合面１０７−１と垂直に形成した半導体レーザ１０８の実装面１０７−３、ＬＤの背面光を受光するモニタＰＤチップ１０９の実装面１０７−４が形成される。
【００３７】
円筒の上下をカットした形状のカップリングレンズ１１０は第１面を軸対称の非球面、第２面を副走査方向に曲率を有するシリンダ面となす。Ｖ溝１０７−２はカップリングレンズ１１０の円筒外周面が当接した際、光軸が半導体レーザ１０８の発光点に合うように幅と角度が設定され、光軸方向の調整によって可動ミラー１００の曲率を相殺するように半導体レーザ１０８との相対位置を合わせて接着固定する。
【００３８】
この実施例では、可動ミラー１００が凸面鏡であるため、可動ミラー１００上で発散光束となり、上記プリズム射出面１１６−４より射出される光ビームが主走査方向で平行光束となるように光軸方向の調整を行なう。なお、可動ミラー１００が凹面鏡であれば可動ミラー１００上で集束光束となる。また、上記カット面はシリンダ面の母線と平行に形成され、母線が水平になるように光軸回りの位置決め基準とする。なお、半導体レーザ１０８は画素情報に応じて変調された光ビームを出射する。
【００３９】
カバー１１１は板金にてキャップ状に成形され、光ビームの射出開口にはガラス板１１２が内側より接合されてなり、上記支持フレーム１０７の外周に設けられた段部１０７−６にはめ込まれて半導体レーザ１０８、ミラー基板１０２等を気密状態に保護する。半導体レーザ１０８、モニタＰＤチップ１０９、上記した固定電極１２１は各々リード端子１１５の支持フレーム１０７上側に突出した先端との間でワイヤーボンディングにより各々接続がなされる。
【００４０】
図７に、本発明の光走査装置の一実施例の断面図、図８（Ａ），（Ｂ）にその外観図、透視図を示す。上記構成による光走査モジュール２００は、ＬＤの駆動回路、可動ミラーの駆動回路を構成する電子部品が実装されるプリント基板２０１上に主走査方向に配列して複数個（実施例では３個）実装される。実装の際、上記支持フレーム１０７の底面は下側に突出したリード端子１１５をスルーホールに挿通してプリント基板２０１に当接され、スルーホールのクリアランス内でプリント基板２０１上における複数の光走査モジュール２００間の位置合わせを行って仮止めし、他の電子部品と同様ハンダ付けされ一括して固定される。
【００４１】
複数の光走査モジュール２００を支持したプリント基板２０１はハウジング２０２の下側開口を塞ぐように当接され、ハウジング２０２に一体で設けられた一対のスナップ爪２０２−１間に抱え込んで保持する。プリント基板２０１にはこのスナップ爪２０２−１の幅に係合する切り欠きが設けられ、主走査方向の位置決めがなされると同時に、スナップ爪２０２−１に形成した鈎型の係止部２０６を基板エッジに係合して副走査方向が固定される。また、係止部２０６は撓ませて係合を解除することで突起２０５が基板上端を押し下げ、容易に取り外すこともできる。
ハウジング２０２内部には結像手段を構成する第１の走査レンズ２０３を主走査方向に配列して接合する位置決め面、第２の走査レンズ２０４を保持する位置決め部および同期ミラー２０８の保持部が形成される。本実施例では各光走査モジュール２００の第２の走査レンズ２０４は樹脂にて一体的に形成し、また、同期ミラー２０８も高輝アルミ板で互いに連結して形成しており、光ビームを射出する開口に外側よりはめ込まれ奥側に突き当てて取り付けられる。開口の中央部には突起２０２−３が形成され、第２の走査レンズ２０４の中央部に設けられた凹部２０４−１、同期ミラー中央部２０８に設けられた凹部２０８−１を係合して主走査方向を位置決めされ、副走査方向には開口の一端に押し付けられて位置決めされる。
【００４２】
また、第１の走査レンズ２０３には各々主走査の中央部底面に位置決め用の突起２０３−１を形成しており、ハウジング２０２に均等間隔で配備された係合孔２０２−２に装着し、主走査方向の相対位置が維持されるようにすると同時に、光軸方向の一端に突き当て同中央部に各々の高さが同一平面となるよう配備された接着面に副走査方向の底面を当接して位置決めされる。
【００４３】
同期検知センサ２０９はＰＩＮフォトダイオードが用いられ、隣接する光走査モジュール２００で共用する中間位置を含め各両端位置に配置され、各光走査モジュール２００の走査開始側と走査終端側とでビームが検出できるようにプリント基板２０１上に実装される。同期ミラー２０８は隣接する光走査モジュール２００の走査開始側と走査終端側との反射面が向かい合うよう「く」字状に成形され、各々光ビームを反射し、共通の同期検知センサ２０９に導くことができるようにしている。
【００４４】
また、コネクタ２１０は全ての光走査モジュール２００への電源供給やデータ信号などのやり取りを一括して行う。ハウジング２０２の両側面には後述する感光体ドラムを保持するカートリッジにドラム２２０と同心に設けられた円筒面２１５に合わせて突き当て面を有する位置決め部材２１１が取り付けられる。位置決め部材は２１１は突起部２１２にねじ固定された後、Ｌ字状に設けた座面を装置本体のフレームに設けられたピン２１３にスプリング２１４を介して配備されるので、上記カートリッジに常に押し付けられた状態で保持され、複数の光走査モジュール２００の感光体ドラムに対する位置決めを一括して確実におこなうことができる。
【００４５】
図９は、本発明の光走査装置をカラーレーザプリンタに適用した一実施例の構造図を示す。
【００４６】
各色（イエロー、マゼンタ、シアン、ブラック）毎に光走査装置５２０とプロセスカートリッジ５００とが個別に位置決めされ、用紙の搬送方向に沿って直列に配備される。用紙は給紙トレイ５０６から給紙コロ５０７により供給され、レジストローラ対５０８により印字のタイミングに合わせて送り出され、搬送ベルト５１１に載って矢印方向に搬送される。各色画像は用紙が各感光体ドラム（像担持体）５０１を通過する際にトナーが静電引力によって転写され順次色重ねがなされて、定着ローラ５０９で定着され、排紙ローラ５１２により排紙トレイ５１０に排出される。 なお、各色プロセスカートリッジはトナー色が異なるのみで構成は同一である。感光体ドラム５０１の周囲には感光体を高圧に帯電する帯電ローラ５０２、光走査装置５２０により記録された静電潜像に帯電したトナーを付着して顕像化する現像ローラ５０３、トナーを備蓄するトナーホッパ５０４、用紙に転写された後の残トナーを掻き取り備蓄するクリーニングケース５０５が配備される。
【００４７】
光走査装置５２０は上記したように複数の光走査モジュール２００の走査線をつなぎ合わせて１ラインが構成され、総ドット数Ｌを分割し各々画像始端から１〜Ｌ１、Ｌ１＋１〜Ｌ２、Ｌ２＋１〜Ｌドットを割り当てて印字するが、本実施例ではこの割り当てるドット数Ｌ１，Ｌ２を各色で異なるようにすることで、同一ラインを走査する各色の走査線の継ぎ目が重ならないようにしている。
【００４８】
なお、上記実施例では光走査装置を３つの光走査モジュールにて構成したが、この数はいくつであってもよく、画像形成装置の記録幅に合わせて数を増減して対応することができる。
【００４９】
図１０は、半導体レーザ（ＬＤ）及び可動ミラーの駆動制御回路の一実施例のブロック図を示す。同図中、周波数設定部３０７で可動ミラー３０２の共振振動数に合わせて走査周波数ｆｄが可変され、電圧制御部３０８から電極駆動部３０９，３１０を通して各固定電極３０５，３０６に位相が１／２周期ずれるようにパルス状の電圧が印加され、これによって可動ミラー３０２が共振振動する。
【００５０】
本実施例では、可動ミラー３０２は走査角θ０を起点として−θ０に達するまでの往期間の内、θｓ〜−θｓの期間（０＜θｓ＜θ０）において画像記録を行い、走査角−θ０から＋θ０の復期間には画像記録を停止する。言い換えれば、走査周波数ｆｄの１周期毎に画像記録を行う。ちなみにθ０＝５°、θｓ／θ０＝０．７としている。半導体レーザ３０１は固定電極３０５への電圧が解除された時点から点灯され、同期検知センサ３０３にて光ビームを検出して同期検知信号を発生し、この同期検知信号を基準として記録開始のタイミングを取る。画像記録の待機時においては電力消費を抑えるため固定電極３０５，３０６への印加電圧を低下、または０として可動ミラー３０２の振幅（振れ角）を低下させ、この期間、同期検知信号は発生していない。
【００５１】
電源投入時または記録開始時には、同期検知センサ３０３から同期検知信号が得られるまで、電圧制御部３０８から固定電極３０５，３０６に印加する電圧を徐々に増加して静電引力を徐々に上昇させることで、可動ミラー３０２の振幅を徐々に増大させる。そして、同期検知信号のレベルが所定値に達した時点で固定電極３０５，３０６に印加する電圧値をセットする。
【００５２】
ところで、同期検知は振れ角がθ０となる近傍でなされるが、−θ０となる近傍にも終端検知センサ３０４を配備されており、終端検知センサ３０４で走査終端の光ビームを検出し、この終端検知信号と同期検知センサ３０３の同期検知信号との時間差、つまり走査時間を演算部３１６で演算して、これが所定の時間差となるよう固定電極３０５への印加電圧を増減し、環境温度変化等による共振周波数のずれに伴う振幅の変動を補正している。なお、終端検知センサ３０４を配備しなくても同期検知センサ３０３での検出信号だけでも検出が可能である。当然、別に光検出センサを配備してもよい。
【００５３】
書込制御部３１１では、これらの設定が完了したのち記録領域での半導体レーザ３０１の点灯を許可するようにシーケンス制御すると同時に、印可電圧があらかじめ設けられた制限値を越えても同期検知センサ３０３及び終端検知センサ３０４の検出信号が得られない場合や、走査時間が所定値に達しない場合にはエラー信号を出力して、固定電極３０５，３０６への電圧印加を中止し、光走査装置５２０の外部に必要以上に光ビームが放出されるのを防止する。本実施例では３つの光走査モジュール２００を有するので、全ての光走査モジュール２００でこの条件がクリアされなければ印字動作を開始しない。
【００５４】
可動ミラー３０２は共振振動されるため、図１１に示すように正弦波状に振れ角θが変化する。つまり、画像中央で走査速度が速く、周辺で走査速度が遅くなる。これは次式で表される。なお、ｆｄは走査周波数である。
【００５５】
θ＝θ０・ｓｉｎ２πｆｄ・ｔ
−１／４ｆｄ＜ｔ＜１／４ｆｄ
一方、被走査面である感光体ドラム面では均一間隔で主走査ドットを印字する必要があり、上記した走査レンズ２０３、２０４の結像特性は単位走査角あたりの走査距離ｄＨ／ｄθがｓｉｎ^−１θ／θ０に比例するように、つまり、画像中央で小さく周辺に行くに従って加速度的に大きくなるように光線の向きを補正しなければならない。さらに、可動ミラー３０２の振れ角が大きくなると理想的な正弦波振動からずれ、対向面に近づくにつれて空気抵抗による振幅への影響をうけ易くなる。
【００５６】
しかしながら、最大振れ角θ０に対する有効振れ角θａの比が大きくなるにつれ周辺での走査速度ｄＨ／ｄｔの減速に対抗して補正量を著しく増大させなければならないので、走査レンズ中央部から周辺部にかけて結像点を遠ざけるためのレンズ強度（屈折力）の変化率が大きくなり、レンズ自体、肉厚差の大きい湾曲形状となって比較的自由度の高い樹脂成形でも加工が困難となるうえ、ビームスポット径が周辺で太くなり一走査内でのばらつきが大きくなる。
【００５７】
そこで、本実施例では走査レンズ２０３，２０４での補正量を適度に抑え、残った分を半導体レーザ３０１の変調周波数である画素クロックの周波数（画素周波数）を主走査に沿って段階的に可変して各ドットの印字位置（位相）とパルス幅を可変して補正する。これによれば、例えば走査レンズ２０３，２０４での補正分をｄＨ／ｄθがθに比例する量として、走査レンズ２０３，２０４をいわゆるｆ・θレンズとすることもでき、走査レンズと画素クロックとの補正量の配分はいかようにも可能である。
【００５８】
画素クロックは、図１０に示すメモリ３１２にあらかじめ記憶された周波数可変データを、同期検知信号をトリガとして書込制御部３１１の制御で順次読み出すことにより、周辺から画像中央に向って周波数が低周波数ｆｌから高周波数ｆｈまで単調に増加し、画像中央から周辺に向って周波数が低周波数ｆｌまで減少するように可変される。
【００５９】
可動ミラー３０２を用いた走査では、図１１に示すように画像中央で走査速度が速く周辺で走査速度が遅くなるが、本実施例では、画素クロックの周波数を図１２に示すように画像中央で高周波数ｆｈ（パルス幅は短い）とし周辺で低周波数ｆｌ（パルス幅は長い）とすることによって相殺し、画像中央から周辺の全域で走査速度が略同一することができる。
【００６０】
図１０で上記画素周波数の可変方法について説明する。パルス幅形成部３１３は与えられた周波数可変データとして与えられる分周比Ｍに基づいて、基準クロック信号ｆ０をＭ分周した分周クロック（周波数ｆ０／Ｍ）をカウントして、ｋクロック（ｋは任意の整数）分の長さのパルスを形成する。これを繰り返し行って、図１２に示すように、主走査に沿って段階的に周期が変化するＰＬＬ基準信号ｆａ（周波数ｋ・ｆ０／Ｍ）として出力する。
【００６１】
ＰＬＬ回路３１４ではＰＬＬ基準信号ｆａと画素クロックｆｋとの位相を比較し、位相差がある場合には画素クロックｆｋの周波数を変更して書込制御部３１１及びパルス幅形成部３１３及びＬＤ駆動部３１５に供給する。書込制御部３１１は同期検知センサ３０３から同期検知信号が供給されると、低周波数ｆｌのＰＬＬ基準信号ｆａのカウントを開始し、そのカウント値に応じたアドレスを発生してメモリ３１２から周波数可変データの読み出しを行う。この結果、メモリ３１２から読み出される周波数可変データはｎ０カウントから図１２に示すように変更される。ｎｓカウントで書込制御部３１１は画像データを画素クロックに同期してシリアルに読み出しＬＤ駆動部３１５に与える。
【００６２】
ここで、画素クロックｆｋの周期は、ｋ・（基準クロックｆ０／分周比Ｍ）によって与えられる。画素クロックの変更領域Ｚは画像記録領域Ｓに対して、前後に１００画素程度ずつ大きめに設定され、それに応じて低周波数ｆｌも画像記録領域Ｓの端部の画素クロックｆｋの周波数より低く設定されており、同期検知から画像記録開始までのカウント値ｎｓを可変することで画像の記録領域Ｓをシフトできるようにしている。
【００６３】
また、上記分周比Ｍに一律に補正数を付加することで、低周波数ｆｌから高周波数ｆｈまでの周波数幅ｆｈ−ｆｌを維持したまま、低周波数ｆｌ，高周波数ｆｈの周波数をシフトすることができ、可動ミラー３０２の共振周波数のばらつきや、図２に示すような可動ミラー１００の曲面化に伴う画像記録幅の変化を各画素の周期（１／ｆｋ）を一様に可変することで部分的な歪みを生じることなく補正できるようにしている。この際、各画素の積算時間、つまり各画素でのクロックカウント値をｋとすると、Ｔ＝Σ（ｋ／ｆｋ）も変化するが、上記同期検知から画素クロック変更を開始するまでのカウント値ｎ０を変更し、周波数可変データの画像中央位置と可動ミラー３０２がミラー基板１０２に対して平行になる時間とが常に一致するように設定する。
【００６４】
ところで、感光体ドラムを露光するエネルギーＥはビーム強度Ｐとして、Ｐ／ｆｋであらわされるため、上記した画素クロックの周波数変化の元になる周波数可変データをＤ／Ａコンバータ３１７に与え、さらに電圧電流変換回路３１８を介してＬＤ駆動部３１５に供給することにより、半導体レーザの駆動電流を可変しビーム強度についても主走査に沿って段階的に可変している。本実施例では画像中央でのビーム強度が高く、周辺で低くなるよう可変する。
【００６５】
上記した半導体レーザ、可動ミラー３０２の駆動制御は光走査装置を構成する各光走査モジュール２００毎に個別に行っているが、可動ミラー３０２の駆動については隣接する光走査モジュール２００で走査周波数ｆｄの１／２周期位相がずれるように駆動し、画像を記録するタイミングを走査上流側に配置する光走査モジュールの記録開始から走査周波数ｆｄの１／２周期ずつ遅らせて順次記録を開始することで、走査上流側に配置する光走査モジュールの記録終端と同時に記録が開始されるようにしている。
【００６６】
図１３は、本発明の光走査モジュールの他の実施例の分解斜視図を示す。同図中、ミラー基板１１０２はシリコン基板をエッチングにより裏側を四角にくり貫いて所定の厚さに枠部と天板部とを残し、天板部には可動ミラー１１００およびそれを軸支するトーションバー１１０１をその周囲を貫通して形成する。なお、可動ミラー１１００は可動ミラー１００と同様に、表面がドーム型になるように反りを生じさせている。この実施例では厚さ２００μｍのシリコン基板を用い可動ミラー１１００の厚さ、つまり天板部は６０μｍである。ミラー幅は４ｍｍ×２ｍｍで上面に金やアルミニューム等の金属被膜を蒸着し反射面となす。また、その両端部には櫛歯状に凹凸が形成され金属被膜を成膜して可動電極１１０４となす。可動電極１１０４と対向した基板端面は上記櫛歯形状と噛み合うように５μｍのクリアランスをもって金属被膜を成膜した櫛歯状の固定電極１１０５が形成されている。可動ミラーが水平な状態の時に可動電極１１０４は固定電極１１０５に対し基板の厚さ方向に同一部位で対向する。
【００６７】
トーションバー１１０１は可動ミラー１１００の走査周波数に応じてトーションバー１１０１を回転軸とした振動モードで共振するよう寸法が定められ、この実施例では幅１００μｍ程度、長さ１ｍｍ程度としている。シリコン基板１１０２はその表面をウエハの研磨面となし、電極と基板との絶縁用に例えば窒化膜を形成しているため、エッチングによって貫通された可動ミラー１１００は表裏の内部応力差により僅かに傾いており、可動電極１１０４と固定電極１１０５とは数μｍの段差を有している。
【００６８】
そのため、固定電極１１０５の一方に電圧を印加すると静電力により可動ミラー１１００は水平な状態までトーションバー１１０１を捩じって回転し、交流電圧を印加すると往復振動する。この振幅は微少であるが、交流電圧を可動ミラーに固有な機械的共振周波数に相当する周波数になるよう印加すると可動ミラー１１００は励振され振幅を拡大し、実施例では±５°で正弦波振動させている。電極を櫛歯状としているのは、これにより外周長が長くなり電極の面積をかせぐことができるためで、低電圧でより大きな静電トルクが得られるよう配慮している。基体１１０６は焼結金属で成形され、絶縁材を介してリード端子１１０７が挿入され、前記したミラー基板１１０２を接着して実装してモジュール化される。ミラー基板の固定電極は、リード端子１１０７の基体上側に突出した端部とワイヤーボンディングにより結線され、モジュールが回路基板に実装された際にスルーホールにリード端子の下側突出部を挿入され、半田づけにより電装基板に形成された回路との接続がなされる。基体外縁の段差部１１０８には板金製のカバー１１０９を不活性ガス中で装着して封止する。カバー１１０９には窓ガラス１１１０が設けられ、光ビームの入出射はこの窓ガラス１１１０を通して行われる。
【００６９】
図１４は、上記光走査モジュールの他の実施例を適応した光走査装置の透視図を示す。可動ミラー偏向器１２００、１２０１、１２０２は走査方向を合わせて電装基板１２０４に実装され、各々半導体レーザ１２０５、カップリングレンズ１２０６、第１走査レンズ１２０７、第２走査レンズ１２０８と組み合わされて光走査手段を構成している。なお、この実施例では、第２の走査レンズを各光走査手段で繋ぎ合わせ一体に成形している。
【００７０】
半導体レーザ１２０５より射出された光ビームはカップリングレンズ１２０６で平行光束とされ、窓ガラス１１１０から可動ミラー偏向器に入射される。光ビームは可動ミラー１１００の法線方向に対して副走査方向に約１０°傾けて入射され、偏向されて可動ミラー偏向器の窓ガラス１１１０から射出される。さらに、走査レンズ１２０７、１２０８により図示しない感光体ドラム上に結像され、１画像を主走査に分割した領域を走査する。
【００７１】
図１５は、画像表示装置の一実施例の断面構造図を示す。同図中、光走査モジュール１４００は図７に示す光走査モジュール２００と同様の構成であるが、光源１３０８として３原色ＲＧＢに対応した波長帯域にて光ビームを射出する発光素子を各々配備している。例えば、赤色光の発光素子としてはＧａＩｎＰ（ガリウム・インジウム・リン）系やＡｌＧａＡｓ（アルミニューム・ガリウム・ヒ素）系、緑色光の発光素子としてはＧａＮ（ガリウム・窒素）系やＧａＩｎＰ系、青色光の発光素子としてはＧａＮ系の発光ダイオード等の半導体素子を用いることができる。この他、半導体レーザと非線形光学結晶を組み合わせたＳＨＧ光源や有機ＥＬ素子、蛍光表示管等を用いてもよい。
【００７２】
光源１３０８からの光ビームはカップリングレンズ１３１０，プリズム等を経て可動ミラー１３００に入射し、光ビームは可動ミラー１３００にて水平走査され、ポリゴンミラー１３０２に入射する。ポリゴンミラー１３０２は図中奥行方向に軸が延在する多角柱であり、光ビームを垂直方向に偏向するようにステッピングモータ等で回転される。これにより、可動ミラー１３００による１走査毎に、スクリーン１３０４における水平走査位置が垂直方向に順次移動して２次元に走査がなされる。
【００７３】
投影レンズ１３０３は、光ビームを被走査面としてのスクリーン１３０４にビームスポットとして結像し、ポリゴンミラー１３０２の１面によって１画面を表示する。なお、可動ミラー１３００の走査周波数は、１５．７ｋＨｚとすることで、ＮＴＳＣ映像信号の水平走査周期と一致させることができる。ポリゴンミラー１３０２の回転数は６００ｒｐｍである。
【００７４】
なお、酸化膜または窒化膜が請求項記載の応力発生膜に対応し、半導体レーザ３０１が発光源に対応し、固定電極３０５，３０６，周波数設定部３０７，電圧制御部３０８，電極駆動部３０９，３１０が可動ミラー駆動手段に対応し、感光体ドラム５０１が感光体に対応し、現像ローラ５０３が現像手段及び転写手段に対応し、ポリゴンミラー１３０２が走査手段に対応し、スクリーン１３０４が被走査面に対応し、投影レンズ１３０３が投写手段に対応する。
【００７５】
【発明の効果】
上述の如く、請求項１に記載の発明は、可動ミラーを少なくともトーションバーを含む断面内で湾曲させアーチ型にしたことにより、可動ミラーの厚さが薄くても往復振動を行っているときに可動ミラーが撓み変形し難くすることができ、可動ミラーを薄くできるので可動ミラーを小さい電力によって大きな振幅で往復振動させることができ、可動ミラーを湾曲させるための部材を追加する必要がなく、可動電極と固定電極との間に初期変位を持たせることができ、可動ミラー両端の可動電極と固定電極とが同一面上に配置されるので往復振動時に各々の距離が等しくなり、可動ミラー両端に均等に静電引力が加わり静電引力を有効に活用することができる。
【００７７】
請求項３に記載の発明では、可動ミラーは、その表面または裏面に応力発生膜を設けたことにより、可動ミラーの湾曲を大きくできると共に曲率を調整することができる。
【００７９】
請求項４に記載の発明では、可動ミラーは、内部応力が残留するシリコン基板を表裏いずれか一方の面からエッチングにより薄肉化して製造することにより、湾曲した可動ミラーを簡単に製造することができる。
【００８０】
請求項５に記載の発明は、光偏向器の可動ミラー自体に回動力を与え往復振動させる可動ミラー駆動手段とを有し、発光源で発光した光ビームを光偏向器の可動ミラーで反射することにより光走査を行うことにより、省電力の光走査モジュールを提供することができる。
【００８１】
請求項７に記載の発明は、光走査モジュールを、光走査方向に複数備え、主走査方向を一致させて配列したことにより、画像記録幅を複数の光走査モジュール分の画像記録幅に拡大することができ、様々な記録幅の画像を形成できる。
【００８２】
請求項８に記載の発明は、光走査装置と、光走査装置によって静電像が形成される像担持体と、静電像をトナーで顕像化する現像手段と、顕像化されたトナー像を記録紙に転写する転写手段とを有することにより、省電力の画像形成装置を提供することができる。
【００８３】
請求項９に記載の発明は、光走査モジュールと、光走査モジュールから出射される光ビームを光走査モジュールの走査方向と直交する方向に走査する走査手段と、走査手段から出射される光ビーム被走査面に投写する投写手段とを有することにより、省電力の画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光走査モジュールの一実施例の分解斜視図である。
【図２】可動ミラーの一実施例を示す図である。
【図３】可動ミラーの内部応力を示す図である。
【図４】可動ミラーの内部応力を示す図である。
【図５】可動電極と固定電極との段差を説明するための図である。
【図６】本発明の光走査モジュールの一部の断面図である。
【図７】本発明の光走査装置の一実施例の断面図である。
【図８】本発明の光走査装置の一実施例の外観図、透視図である。
【図９】本発明の光走査装置をカラーレーザプリンタに適用した一実施例の構造図である。
【図１０】半導体レーザ及び可動ミラーの駆動制御回路の一実施例のブロック図である。
【図１１】可動ミラーの振れ角θの変化を示す図である。
【図１２】画素クロックの周波数変化の様子を示す図である。
【図１３】本発明の光走査モジュールの他の実施例の分解斜視図である。
【図１４】光走査モジュールの他の実施例を適応した光走査装置の透視図である。
【図１５】画像表示装置の一実施例の断面構造図である。
【図１６】可動ミラーの撓み変形を示す図である。
【符号の説明】
１００ 可動ミラー
１０１ トーションバー
１０２ ミラー基板
３０７ 周波数設定部
３０１ 半導体レーザ
３０２ 可動ミラー
３０９，３１０ 電極駆動部
３０８ 電圧制御部
３０５，３０６ 固定電極
３０３ 同期検知センサ
３１１ 書込制御部
３１２ メモリ
３１３ パルス幅形成部
３１４ ＰＬＬ回路
３１５ ＬＤ駆動部

Claims (9)

1. 可動ミラーとそれを軸支するトーションバーが一体形成されており、往復振動する可動ミラーで光ビームを反射することにより、光ビームを偏向する光偏向器において、
   前記可動ミラーの基板に内部応力を発生させることにより、少なくとも前記トーションバーを含む断面内で湾曲させアーチ型にし、
   前記可動ミラーの基板に発生させた内部応力の大きさを前記トーションバーを結ぶ線の左右で非対称として前記トーションバーの断面に生じさせたねじれモーメントにより前記可動ミラーを無負荷状態で傾かせたことを特徴とする光偏向器。
2. 請求項１記載の光偏向器において、
   前記可動ミラーをミラー面の中心位置近傍に頂点を有するドーム型にしたことを特徴とする光偏向器。
3. 請求項１または２記載の光偏向器において、
   前記可動ミラーは、その表面または裏面に応力発生膜を設けたことを特徴とする光偏向器。
4. 請求項１または２記載の光偏向器の製造方法において、
   前記可動ミラーは、内部応力が残留するシリコン基板を表裏いずれか一方の面からエッチングにより薄肉化して製造することを特徴とする光偏向器の製造方法。
5. 請求項１乃至３のいずれか記載の光偏向器と、
   前記光偏向器の可動ミラー自体に回動力を与え往復振動させる可動ミラー駆動手段とを有し、
   発光源で発光した光ビームを前記光偏向器の可動ミラーで反射することにより光走査を行うことを特徴とする光走査モジュール。
6. 請求項５記載の光走査モジュールにおいて、
   前記発光源から光偏向器までの光路中に設けられたカップリングレンズは、前記可動ミラーの湾曲量に応じて前記可動ミラーに入射する光ビームが発散光束または集束光束となるように位置決めすることを特徴とする光走査モジュール。
7. 請求項５または６記載の光走査モジュールを、光走査方向に複数備え、主走査方向を一致させて配列したことを特徴とする光走査装置。
8. 請求項７に記載の光走査装置と、
   前記光走査装置によって静電像が形成される像担持体と、
   静電像をトナーで顕像化する現像手段と、
   顕像化されたトナー像を記録紙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。
9. 請求項５または６記載の光走査モジュールと、
   前記光走査モジュールから出射される光ビームを前記光走査モジュールの走査方向と直交する方向に走査する走査手段と、
   前記走査手段から出射される光ビームを被走査面に投写する投写手段とを
   有することを特徴とする画像表示装置。

Images