JP4970865B2 - 偏向装置、光走査装置及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、偏向装置、光走査装置及び画像形成装置に関し、特に振動ミラーを利用した偏向装置及びこれを用いた光走査装置、画像形成装置に関するものである。

従来から、光走査装置においては、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ために、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、ポリゴンミラーやガルバノミラーでの高速走査には限界がある。

これに対し、近年では、シリコンマイクロマシニングを利用した偏向装置の研究が進められており、Ｓｉ基板で振動ミラーとそれを軸支するねじり梁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、ミラー面サイズが小さく小型化できるうえ、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、低騒音で消費電力が低いという利点がある。

しかしながら、ポリゴンミラーと同等な画角を確保するには、より広い振れ角範囲で回転トルクを効かせる必要があり、その対応策として、特許文献１において、回転軸の近傍で回転トルクを発生させるようにした偏向ミラーが開示されている。同文献の発明は、光ビームを偏向する可動ミラーと、可動ミラーと連結され回転軸心を規定するねじり梁と、ミラーを揺動する回転力を発生するミラー揺動手段を可動ミラーと回転軸方向に隣接して備え、可動ミラーの回転軸心からの距離をｒ’、可動ミラー幅をＡとし、ｒ’≦Ａ／４なる部位に回動力を発生させるものである。

また、複数の画像形成ステーションを有し、各色画像を重ね合わせてカラー画像を形成する"タンデム方式"に対応した光走査装置に適用するには、特許文献２に開示されるように、複数の振動ミラーを備え、それらを共通の走査周波数で駆動する必要があるが、製作工程における寸法のばらつきにより共振周波数が揃わない。その対応策として、特許文献３では、質量負荷部をミラー両端に備える発明が提案されており、特許文献４では、ねじり梁とミラー部を同時加工して共振周波数を合わせる発明が開示されている。
特開２００５−２４７２１号公報 特開２００３−９８４５９号公報 特開２００２−４０３５５号公報 特開２００２−２２８９６５号公報

上述したように、振動ミラーをポリゴンミラーの代わりとして用いることで、低騒音化や低消費電力化が可能となり、オフィス環境に適合した画像形成装置が提供できる。特に"タンデム方式"に対応した光走査装置においては、ポリゴンミラーの温度上昇によって光走査装置を収めるハウジングに温度分布が発生し、熱歪みによって結像光学系を構成する走査レンズや折返しミラーなどの姿勢が変化して、色ずれや色変わりの要因となっていたが、振動ミラーによって温度上昇が抑えられれば、高品位な画像形成が行える。

ところが、ポリゴンミラーと比較した場合、第一にミラー面が小さいというデメリットがある。第二に振れ角が小さくなるという問題もある。すなわち、高速化に伴い走査周波数が上がると振れ角に限界があるうえ、さらに、正弦波振動に伴って、単位時間あたりの回転角の変化量が振れ角のピークに近づくにつれて極端に小さくなるため、被走査面で均一なドット間隔を得ようとすると全振れ角の約１／２しか有効に利用できないことになる。

他方、結像スポット径が小さいと潜像をより矩形に近い状態で形成でき、解像力が向上してドットの均一性を保てるため、結像スポット径は小さい方が望ましい。しかし、一般に、ガウスビームの結像特性は、結像レンズに入射する光束径をω０、結像スポット径をωとすると、ω０／ωが結像レンズの焦点距離ｆに比例する特性を有し、上記したように、振れ角がとれず画角が小さくなると、結像レンズの焦点距離ｆが必然的に長くなるため、微小スポットに絞り込むには、光束径ω０を大きく、つまり、ミラー面サイズを大きくする必要が生じる。

例えば、図１４に示すような単純な板状の可動ミラーを想定してみる。可動ミラーの寸法について、回転軸に直交する方向の幅を２ｒ、回転軸に平行する方向の幅をｄ、厚さをｔ、ねじり梁の寸法について、長さをｈ、幅をａとした場合、Ｓｉの密度ρ、材料定数Ｇを用いて、慣性モーメントＩ及びバネ定数Ｋは、
慣性モーメントＩ＝（４ρｒｄｔ／３）・ｒ＾２
バネ定数Ｋ＝（Ｇ／２ｈ）・｛ａｔ（ａ＾２＋ｔ＾２）／１２｝
と表され、共振振動数ｆ０は、
ｆ０＝（１／２π）・√（Ｋ／Ｉ）＝（１／２π）・√｛Ｇａｔ（ａ＾２＋ｔ＾２）／２４ＬＩ｝
と表すことができる。

ここで、ねじり梁の長さＬと振れ角θは略比例関係にあるため、振れ角θは、
θ＝κ／Ｉ・ｆ０＾２（κは定数）・・・（１）
で表される。振れ角θは慣性モーメントＩに反比例し、共振振動数ｆ０を高めるには慣性モーメントＩを低減しないと振れ角θが小さくなってしまい、ミラー面サイズ２ｒを単純に大きくしたのでは、その３乗に反比例して振れ角θが小さくなってしまう。

一方、回転トルクＴと振れ角θの関係は、
θ＝κ'・Ｔ／Ｋ（κ'は定数）・・・（２）
であるから、ミラー面サイズ２ｒが大きくなっても振れ角θを確保できるようにするには、その３乗に比例した回転トルクＴを発生させる必要がある。
つまり、ミラー面サイズに応じた回転トルクが発生でき、さらに、上記したように、複数の振動ミラーを混在させると共振周波数が各々異なるため、これらを共通の走査周波数ｆｄで揺動しても、振れ角θを確保できるような方式が望まれる。

本発明では、上記に鑑み、カラー画像形成に対応した微小スポット径に絞り込むためのミラー面サイズを確保しつつ、所定の振れ角が得られるようにすることで、偏向装置としての振動ミラーを"タンデム方式"に対応した光走査装置に適用し、低騒音、かつ低消費電力でありながら、色ずれや色変わりのない高品位なカラー画像形成が行えるようにすることを目的とする。

かかる目的を達成するために、請求項１記載の発明は、回転軸として設けられたねじり梁によって支持された振動板部と、当該振動板部に形成したミラー部とを備え、発光源からのビームを往復走査する振動ミラーと、前記振動ミラーに対して回転トルクを周期的に付与して揺動せしめる回動手段とを有する偏向装置であって、前記回動手段は、前記振動板部の前記回転軸に直交する方向に前記回転軸からＲだけ離隔した前記回転軸に平行な一辺に沿って回転トルクを発生させ、前記ミラー部について前記回転軸に直交する方向の幅を２ｒ、前記回転軸に平行する方向の幅をｄとし、前記の回転トルクが発生する隔離した一辺の幅をＤとした場合に、
Ｒ＜ｒ、Ｄ＞ｄであり、かつ、Ｄ≧ｄ・（ｒ／Ｒ）＾２
となる関係を有することを特徴とする。

本請求項の発明は、ねじり梁を回転軸として支持され、発光源からのビームを往復走査する振動ミラーと、前記振動ミラーに周期的に回転トルクを付与して揺動せしめる回動手段とを有する偏向装置であって、前記回動手段は、回転トルクを回転軸の直交方向にＲだけ離隔した一辺に沿って発生するとともに、前記振動ミラーのミラー部の有効径が回転軸に直交する方向の幅を２ｒ、回転軸に平行する方向の幅をｄとしたとき、前記回転トルクを発生する一辺の幅Ｄが、
Ｒ＜ｒ、Ｄ＞ｄであり、かつ、Ｄ≧ｄ・（ｒ／Ｒ）＾２
なる関係であることにより、前記ミラー部で偏向する光束径の拡大に伴って、ミラー幅が大きくなっても、それを補うだけの十分な回転トルクが確保でき、画角の縮小を招くことがないため、被走査面で微小なビームスポットに絞り込むことができ、高品位な画像記録が行える。

本発明によれば、カラー画像形成に対応した微小スポット径に絞り込むためのミラー面サイズを確保し、さらに、所定の振れ角が得られるようにするができる。そして、"タンデム方式"に対応した光走査装置に振動ミラーの偏向装置を用いることで、低騒音、かつ低消費電力でありながら、色ずれや色変わりのない高品位なカラー画像形成が実現される。

（実施形態１）
まず、本発明の実施形態の偏向装置について、図を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施形態の偏向装置で、他の実施形態における光走査装置に用いる振動ミラーモジュールの斜視図である。ここでは、可動ミラーの回転トルクを印可する手段として電磁駆動方式の例を説明する。

当該振動ミラーモジュールは、振動ミラー基板４４０、可動ミラー４４１、ねじり梁４４２、フレーム４４７、実装基板４４８、回路基板４４９、位置決め部４５１、エッジコネクタ部４５２、押え爪４５３、コネクタ４５４、配線端子４５５から構成される。

可動ミラー４４１は、２段に形成され、ねじり梁４４２で軸支されており、単一のＳｉ基板からエッチングにより外形を貫通して作製し、実装基板４４８に装着され、振動ミラー基板４４０を構成する。支持部材４４７は、樹脂で成形され、回路基板４４９の所定位置に位置決めされており、振動ミラー基板４４０を可動ミラー面が主走査平面に直交し各可動ミラー面同士が所定の角度、本実施形態では６０°となるように位置決めする位置決め部４５１と、振動ミラー基板における実装基板４４８の一辺の縁に形成された配線端子４５５が、装着時に接触するように金属製端子群を整列したエッジコネクタ部を４５２とを一体で構成している。

こうして、振動ミラー基板４４０は、一辺を上記したエッジコネクタ部４５２に挿入し、押え爪４５３の内側に嵌め付け、裏側の両側面を位置決め部４５１に沿わせて支えられるとともに、電気的な配線がなされる。そして、各々の振動ミラー基板４４０が個別に交換できるようにしている。なお、回路基板４４９には、振動ミラーを駆動する制御ＩＣや水晶発振子等が実装され、コネクタ４５４を介して外部から電源が供給される。

図２は、図１における振動ミラー基板４４０の正面図及び背面図並びに振動ミラーの正面図及び裏面図で、（ａ）は１段ミラー、（ｂ）は２段ミラーを示している。図３は、１段ミラーの分解斜視図である。

振動ミラー基板４４０は、可動ミラー４４１、ねじり梁４４２、振動板４４３、補強梁４４４及びフレーム４４７等からなる振動ミラー４６０、そして、実装基板４４８、ヨーク４４９、永久磁石４５０、配線端子４５５から構成される。振動ミラー４６０は、第１基板４６２及び第２基板４６１からなり、第１基板４６２は、可動ミラー４４１及びフレーム４４７から構成されており、第２基板４６１は、ねじり梁４４２、振動板４４３、補強梁４４４、フレーム４４６、コイルパターン４６３、端子４６４及びトリミング用パッチ４６５から構成されている。振動ミラー４６０は、ＳＩ基板をエッチングにより切り抜いて可動ミラーを形成する。本実施形態ではＳＯＩ基板と呼ばれる６０μｍと１４０μｍとの２枚の基板が酸化膜を挟んであらかじめ接合されたウエハを用いる。

まず、１４０μｍ基板である第２基板４６１の表面側からプラズマエッチングによるドライプロセスによって、ねじり梁４４２、平面コイルが形成される振動板４４３、可動ミラー４４１の骨格をなす補強梁４４４と、フレーム４４６とを残したそれ以外の部分を酸化膜まで貫通する。次に、６０μｍ基板である第１基板４６２の表面側からＫＯＨ等の異方性エッチングによって、可動ミラー４４１と、フレーム４４７とを残したそれ以外の部分を酸化膜まで貫通する。そして、最後に、可動ミラー４４１の周囲の酸化膜を除去して分離し振動ミラー４６０の構造体を形成する。

ここで、ねじり梁４４２、補強梁４４４の幅を４０〜６０μｍとし、さらに、６０μｍである第１基板４６２の表面側にアルミニウム薄膜を蒸着して反射面となし、１４０μｍである第２基板４６１の表面側には銅薄膜でコイルパターン４６３とねじり梁４４２を介して配線された端子４６４、及びトリミング用パッチ４６５を形成する。

実装基板４４８上には、振動ミラー４６０を装着する枠状の台座４６６と、振動ミラー４６０を囲うように形成されたヨーク４４９が配備され、ヨーク４４９には可動ミラー端に対向して各々Ｓ極とＮ極とを向かい合わせ、回転軸と直交する方向に磁界を発生する一対の永久磁石４５０が接合されている。

振動ミラー４６０は、可動ミラー面を表にして台座４６６に装着され、各端子４６４間に電流を流すことによりコイルパターン４６３の回転軸に平行な各辺にローレンツ力が生じ、ねじり梁４４２をねじって可動ミラー４４１を回転する回転トルクＴを発生し、電流を切るとねじり梁の戻り力により水平に戻る。したがって、コイルパターン４６３に流れる電流の方向を交互に切り換えることによって、可動ミラー４４１を往復振動させることができる。そして、この電流の切り換える周期を、可動ミラー４４１を構成する構造体の、ねじり梁４４２を回転軸とした１次振動モードの固有振動数、いわゆる共振振動数ｆ０に近づけると振幅が励起され大きな振れ角を得ることができる。よって、一般に、走査周波数ｆｄをこの共振振動数ｆ０に合わせて設定している。

しかし、共振振動数ｆ０は、前述したように、可動ミラー４４１を構成する構造体の慣性モーメントＩによって決定されるため、仕上がりの寸法精度にばらつきがあると個体間で差が生じてしまい、各々の走査周波数ｆｄを揃えることができない。この共振振動数ｆ０のばらつきは、プロセスの能力にもよるが、±２００Ｈｚ程度あり、例えば、走査周波数ｆｄ＝２ｋＨｚとすると１／１０ラインに相当する走査ラインピッチのずれが生じることになり、１０ライン記録すると１ライン分の位置ずれになってしまう。そこで、本実施形態では、後処理として、可動ミラーの裏側に形成したパッチ４６５に炭酸ガスレーザなどにより切り込みを入れ、振動部の質量を徐々に減らしていくことで、個体間の寸法差があっても共振振動数ｆ０が概略一致させ、ばらつきが±５０Ｈｚになるように調整するとともに、その周波数帯域内に、走査周波数ｆｄを共振振動数ｆ０から外して設定している。

図４は、振動部の質量の可変（トリミング）による共振周波数ｆ０の変化を表したものである。また、図５は、質量の可変（トリミング）による共振周波数の調整の様子を示したものである。

振動ミラー４６０は実装基板４４８に装着する前に、加振装置５０３により走査周波数に相当する振動が付与され、可動ミラー４４１の裏側よりパッチ４６５にＣＯ２レーザ５０４が照射され、共振によって急峻に振れ角が増大するまで切込みを入れていく。それ以外にも、加振装置５０３により走査周波数を順次可変して共振周波数を求め、ずれ量に応じた質量を付加または削除してもよい。なお、パッチ４６５は、回転軸の近傍に配置することで、慣性モーメントの負荷にならず、加振した状態でトリミング加工ができるように配慮している。また、共振状態の検出は可動ミラーの表側へ光源装置５０２よりビームをあて、その反射ビームの振れを検出することによって行う。

ところで、可動ミラーの形状は図２のように、ミラー有効径の回転軸に直交する方向の幅を２ｒ、平行な方向の幅をｄとし、振動板の回転軸に直交する方向の幅を２Ｒ、平行な方向の幅をＤとすると、
Ｄ／≧ｄ・（ｒ／Ｒ）＾２
なる関係を有する。具体的には、可動ミラーの有効径は、（ａ）１段ミラー、（ｂ）２段ミラーいずれの場合も、２ｒ＝４．５、ｄ＝１であるから、振動板の幅２Ｒ＝３のとき、（ａ）１段ミラーではＤ≧２．２５、（ｂ）２段ミラーではｄ≧４．５としている。

先に述べたとおり、可動ミラーの振れ角θと振動板の各寸法との関係は、
θ＝κ／Ｉ・ｆ０＾２（κは定数）・・・（１）
であり、また、回転トルクＴとの関係は、
θ＝κ'・Ｔ／Ｋ（κ'は定数）・・・（２）
である。
（１）式において、前項は質量Ｍに関与する項であるから、本実施形態のように回転軸に直交する方向の幅２ｒを大きくしても、平行な方向の幅ｄを最小限とし、さらに、肉抜き構造として回転軸からＲよりも外側の部位について軽量化を図り質量Ｍの増加を微小に抑えているから、振れ角θはｒの２乗に反比例することになり、この分を補うように回転トルクＴを与えてやるようにしている。したがって、これに対応した回転トルクＴを確保できるように、振動板４４３の幅Ｄを設定し、回転軸に平行な方向に沿った平面コイルの長さを設定している。

なお、本実施形態では、可動ミラーを形成する基板を第１基板４６２、ねじり梁を形成する基板を第２基板４６１と２つに分け、各々最適な厚さを選択できるよう２枚のＳｉ基板により作製しているが、１枚の基板により作製してもよい。また、本実施形態では、振動板４４３に平面コイル（コイルパターン４６３）を配備し、ヨーク４４９に一対の永久磁石４５０を接合した構成としているが、振動板４４３に永久磁石を備え（この場合永久磁石４５０は不要となる）、平面コイルはフレーム４４７若しくは４４６又はヨーク４４９に配備する構成としてもよい。さらに、本実施形態では、平面コイルを配備する構成としたが、コイルは平面に限られない。以下に説明する実施形態においても同様である。

図６は、振動ミラーを振幅させる駆動回路のブロック図である。駆動パルス生成部６０１、ゲイン調整部６０２、可動ミラー駆動部６０３、同期検知センサ６０４、終端検知センサ６０５、光源駆動部６０６、書込制御部６０７、画素クロック生成部６０８、振幅演算部６０９、可動ミラー６１０及びＰＬＬ回路６１１から構成される。

駆動パルス生成部６０１は、基準クロックを例えばプログラムブル分周器で分周し、可動ミラー６１０の振幅に合わせたタイミングで電圧パルスが印加されるパルス列を生成する。そして、ＰＬＬ回路６１１によって各偏向ミラーモジュールで所定の位相遅れを持たせ、ゲイン調整部６０２を介して各可動ミラーの駆動部６０３に与えられ、電極の各々に電圧が印加される。可動ミラーに近接する振動板の裏側に設定された平面コイルには、交互に電流の流れる方向が切り換わるように、交流電圧、またはパルス波状電圧が印加され、振れ角θが一定となるように平面コイルに流す電流のゲインを調節して往復振動させる。

同期検知センサ６０４及び終端検知センサ６０５は、基板上に配備されるが、検出面は被走査面に到達する光路長と等しい位置に配置されている。書込制御部６０７は、画素クロック生成部６０８から画像データや可変データを受け光源駆動部６０６へ送出する。

可動ミラー６１０には基本的に画像記録及びその準備期間以外は駆動電圧が印加されない。光源駆動部６０６によるビームを同期検知センサ６０４及び終端検知センサ６０５とで検出し、この同期検知信号と終端検知信号との時間差を振幅演算部６０９で計測することにより、可動ミラー６０１の振れ角を検出する。

図７は、電流の流れる方向を切り換える周波数ｆと振れ角θとの関係を示すグラフである。

一般に、共振周波数ｆ０をピークとした周波数特性となり、走査周波数ｆｄを共振周波数ｆ０に一致させれば、最も振れ角が大きくとれるが、共振周波数付近においては急峻に振れ角が変化する。したがって、初期的には可動ミラーの駆動制御部において固定電極に印加する駆動周波数を共振振動数に合うよう設定することができるが、温度変化に伴うバネ定数の変化などで共振周波数が変動した際には振れ角が激減してしまい、経時的な安定性に乏しいという欠点がある。

従来から、共振周波数ｆ０の変化に追従するように走査周波数ｆｄを制御する例が提案されているが、上述のとおり、この走査周波数ｆｄが変化してしまうと走査ラインのピッチずれとなるため、本実施形態では、走査周波数ｆｄを共振周波数ｆ０から外した単一周波数に固定し、ゲイン調整に応じて振れ角θが増減できるようにしている。具体的には、共振周波数ｆ０＝２ｋＨｚに対し、走査周波数ｆｄは２．５ｋＨｚとし、ゲイン調整により振れ角θが±２５°になるように合わせている。経時的には、走査領域の始端と終端とに配備したセンサ、すなわち、同期検知センサ６０４及び終端検知センサ６０５の間の走査時間によって可動ミラーにより走査されたビームを検出し、振れ角θが一定となるように制御している。

ところで、振動ミラーは共振振動されるため、ｓｉｎ波状に走査角θが変化する。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る。仮に、画素クロックを単一の周波数で変調すると、被走査面では振幅のピークに近づくにつれてドット間隔が間延びしてしまう。このリニアリティのずれは、上記したようにｆ・ａｒｃｓｉｎレンズを用いて補正されるが、十分な補正効果が得られる有効半画角ω、言い換えれば、画像領域を走査する有効振れ角θｄは全振れ角θの５０％以下である。そのため、本実施形態では、さらに、電気的な補正により補助することによって全振れ角θに対する有効振れ角θｄの比（有効走査率）が５０％を超えるようにしている。つまり、各画素の位相を主走査位置に応じて、書込始端側では進めた状態から書込終端側では遅らせた状態に変化させる。

図８は、発光源である半導体レーザを変調する駆動回路のブロック図である。メモリ８０１、画素クロック生成部８０２、高周波クロック生成部８０３、カウンタ８０４、比較回路８０５、画素クロック制御回路８０６、画像処理部８０７、フレームメモリ８０８、ラインバッファ８０９、書込制御部８１０及び光源駆動部８１１から構成される。

まず、メモリ８０１は、画素クロック生成部８０２中の比較回路８０５へ位相データ信号を送出する。画素クロック生成部８０２は、高周波クロック生成部８０３、カウンタ８０４、比較回路８０５及び画素クロック制御回路８０６からなる。高周波クロック生成回路８０３は、高周波クロックＶＣＬＫを生成する。カウンタ８０４は、高周波クロック生成部８０３で生成された高周波クロックＶＣＬＫをカウントする。

比較回路８０５では、このカウント値及びデューティ比に基づいてあらかじめ設定される設定値Ｌ、そして画素クロックの遷移タイミングとして外部から与えられ、位相シフト量を指示する位相データＨとを比較する。そして、カウント値が設定値Ｌと一致したときに画素クロックＰＣＬＫの立下りを指示する制御信号ｌを出力し、カウント値が位相データＨと一致したときに画素クロックＰＣＬＫの立上りを指示する制御信号ｈを出力する。この際、カウンタ８０４は制御信号ｈと同時にリセットされ再び０からカウントを行うことで、連続的なパルス列が形成できる。こうして、１クロック毎に位相データＨを与え、順次パルス周期が可変された画素クロックＰＣＬＫを生成する。実施例では、画素クロックＰＣＬＫは、高周波クロックＶＣＬＫの８分周とし、１／８クロックの分解能で位相が可変できるようにしている。

画素クロック制御回路８０６は、比較回路８０５から受け取った制御信号ｈ及び制御信号１から、画素クロックＰＣＬＫを生成し、書込制御部８１０へ送出する。

各色にラスター展開された画像データは、フレームメモリ８０８に各々一時保存され、画像処理部に順に読み出されて、前後の関係を参照しながら中間調に対応したマトリクスパターンに応じて各ラインの画素データが形成され、各発光源に対応したラインバッファ８０９に転送される。書込制御回路８１０は、同期検知信号をトリガとしてラインバッファ８０９から各々読み出して独立に変調し、光源駆動部８１１へ送り出す。

図９は、任意の画素の位相をシフトしたもので、１／８クロックだけ位相を遅らせた場合を示している。

デューティを５０％とすると設定値Ｌ＝３が与えられ、カウンタ８０４で４カウントされて画素クロックＰＣＬＫを立ち下げる。１／８クロック位相を遅らせるとすると位相データＨ＝６が与えられ、７カウントで立上げる。同時にカウンタがリセットされるので、４カウントで再び立ち下げる。つまり、隣接するパルス周期が１／８クロック分縮められたことになる。こうして生成された画素クロックＰＣＬＫは、光源駆動部８１１に与えられ、この画素クロックＰＣＬＫに対してラインバッファ８０９から読み出された画素データを重畳させた変調データにより、半導体レーザを駆動する。

図１０は、単一の周波数で変調した場合の、主走査位置に応じた各画素の位置ずれを示す。

本実施形態では、主走査領域を複数に分け、さらに、中心から離れて周辺にいくほど領域幅を狭くした８つの領域に分割している。そして、各分割位置で位置ずれがなくなるように、位相をシフトする画素の間隔ｎを領域毎に設定している。例えば、各領域の画素数をＮ、画素毎の位相シフト量を画素ピッチｐの１／１６単位とし、各領域の両端での位置ずれがΔＬとしたとき、
ｎ＝Ｎ・ｐ／１６ΔＬ
の関係となり、ｎ画素毎に位相をシフトしてやればよいということになる。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態の光走査装置について説明する。

図１１は、４ステーションを走査する光走査装置の例で、２ステーションずつ２分し、相反する方向に向けて配置した一対の振動ミラーに各々ビームを入射して、偏向、走査する方式であり、いわゆる対向走査斜入射光学系を示している。

４つの感光体ドラム１０１、１０２、１０３、１０４は、転写体の移動方向１０５に沿って等間隔で配列され、順次異なる色のトナー像を転写し重ね合わせることでカラー画像を形成する。各感光体ドラムを走査する光走査装置は一体的に構成され、各々に対応した光源ユニットからのビームを個別に配備された可動ミラーにより走査する。

振動ミラーモジュールは、光走査装置の中央部に配置され、副走査方向に所定間隔、本実施形態ではミラー中心間距離４ｍｍをもって連結した２段の可動ミラー１０６を有する振動ミラーを一対備え、ミラー面同士が６０°の角度となるよう配備され、各光源ユニットからのビームは走査領域よりも外側から振動ミラーの回転軸上に向けて入射されるようにしている。

光源ユニットは、射出位置が１０７、１１０が１０８、１０９よりも可動ミラーの上下間隔分だけずれるように、また、光源ユニット１０７、１０８からの光ビーム２０１、２０２と、光源ユニット１０９、１１０からの光ビーム２０３、２０４とが相反する方向に偏向されるよう振動ミラーモジュールに対して対称に配備され、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラックの各々に対応した感光体ドラム上に、各可動ミラーの振幅の位相を合わせて走査方向が揃うように同時に画像を書き込んでいく。

各光源ユニットからのビーム２０１、２０２、２０３、２０４は、各可動ミラーの法線に対し主走査方向での入射角が各々３０°となるように、光源ユニット１０８、１０９からの光ビーム２０２、２０３は入射ミラー１１１、１１２によって折り返され、直接可動ミラー１０６へと向かう光源ユニット１０７と１１０からの光ビーム２０１、２０４の光路と主走査方向を揃えて各可動ミラーに各々水平に入射される。尚、本実施形態では副走査方向に所定の角度をつけて斜入射させているが、ミラー面に対し正面から入射させることも可能である。

シリンダレンズ１１３、１１４、１１５、１１６は、一方を平面、もう一方を副走査方向に共通の曲率を有し、可動ミラー１０６の偏向点までの光路長が等しくなるように配備してあり、各光ビームは偏向面で主走査方向に線状となるように収束され、後述するトロイダルレンズとの組み合わせで、偏向点と感光体面上とが副走査方向に共役関係とすることで面倒れ補正光学系をなす。

ｆθレンズ１２０、１２１は、可動ミラー１０６の上下間隔分だけずれるように２層に一体的に形成または接合され、各々、主走査方向には振動ミラーの正弦波振動に対応してｆ・ａｒｃｓｉｎ特性、つまり、単位走査角あたりの走査距離ｄＨ／ｄθがｓｉｎ−１θ/θ０に比例する特性、を持つようにパワーを持たせた非円弧面形状となし、振動ミラーの回転に伴って感光体面上でビームが略等速に移動するようにするとともに、各ビームに配備されるトロイダルレンズ１２２、１２３、１２４、１２５とにより各ビームを感光体面上にスポット状に結像し、潜像を記録する。本実施形態では、各色ステーションの振動ミラーを、回転軸が主走査方向における画像中央と一致するように配置し、振動ミラーから感光体面に至る各々の光路長が一致し、等間隔で配列された各感光体ドラムに対する入射位置、入射角が等しくなるように、１ステーションあたり３枚ずつ、の折り返しミラーが配置される。

各色ステーションで光路を追って説明する。まず、光源ユニット１０７からのビーム２０１については、シリンダレンズ１１３を介し、可動ミラー１０６の上段で偏向された後、ｆθレンズ１２０の上層を通過し、折り返しミラー１２６で反射されてトロイダルレンズ１２２を通過し、折り返しミラー１２７、１２８で反射されて感光体ドラム１０２に導かれ、第２のステーションとしてマゼンタ画像を形成する。次に、光源ユニット１０８からのビーム２０２については、シリンダレンズ１１４を介して、入射ミラー１１１で反射され可動ミラー１０６の下段で偏向された後、ｆθレンズ１２０の下層を通過し、折り返しミラー１２９で反射されてトロイダルレンズ１２３を通過し、折り返しミラー１３０、１３１で反射されて感光体ドラム１０１に導かれ、第１のステーションとしてイエロー画像を形成する。

可動ミラー１０６に対して対称に配備されたステーションについても同様で、光源ユニット１０９からのビーム２０３は、入射ミラー１１２を介して可動ミラー１０６の下段で偏向され、折り返しミラー１３２、１３３、１３４で反射されて感光体ドラム１０４に導かれ、第４のステーションとしてブラック画像を、また、光源ユニット１１０からのビーム２０４は、可動ミラー１０６の上段で偏向され、折り返しミラー１３５、１３６、１３７で反射されて感光体ドラム１０３に導かれ、第３のステーションとしてシアン画像を形成する。

これらの構成部品は不図示の単一のハウジングに一体的に保持される。図中、１３８、１３９、１４０、１４１は各々同期検知センサ、終端検知センサを実装する基板である。これらは、対向する２ステーションに対して１組ずつ設けられ、走査領域の前側および後側でビームを検出し、往復走査のうち、往走査時は同期検知センサ１３９、１４０の検出信号により同期検知信号を発生し、復走査時は終端検知センサ１３８、１４１の検出信号により同期検知信号を発生して、書出しのタイミングをとる。

転写ベルト１０５の出口ローラ部には、各ステーションで形成され重ね合わされた各色画像の重ね合わせ精度を検出するための検出手段が配備される。検出手段は、転写ベルト１０５上に形成したトナー像の検出パターンを読み取ることで、主走査レジスト、副走査レジストを基準となるステーションからのずれとして検出し、定期的に補正制御が行なわれる。本実施形態では、照明用のＬＥＤ素子１５４、反射光を受光するフォトセンサ１５５及び一対の集光レンズ１５６とからなり、画像の左右両端と中央の３ヵ所に配備され、転写ベルトの移動に応じて基準色であるブラックとの検出時間差を読み取っていく。

（実施形態３）
図１２は、別の実施形態の光走査装置で、４ステーションを単一の振動ミラーにより走査する方式で、いわゆる片側走査斜入射光学系である。

図のように、各感光体ドラムを走査する光走査装置は一体的に構成され、転写体の移動方向１０５に沿って等間隔で配列された４つの感光体ドラム１０１、１０２、１０３、１０４に対し、各々に対応した光源ユニットからのビームを、振動ミラーでの偏向後に再度分離して、導くことで同時に画像を形成する。可動ミラー１０６は1段であり、該ミラーに対して副走査方向に異なる入射角で斜入射させることで、各光源ユニットからのビームを一括して偏向、走査するようにしている。可動ミラー１０６の基本的な構成は、上記した２段の可動ミラーの場合と同様である。

各光源ユニット１０７、１０８、１０９、１１０は、副走査方向に高さが異なり、光源ユニット１１０が最も高く、１０９、１０８、１０７の順に低く放射状に配備されている。光源ユニット１１０からのビーム２０４は直接可動ミラー１０６へ入射し、他の光源ユニットからのビーム２０３、２０２、２０１は、階段状に高さが異なる３枚の入射ミラー１１１によって、ビーム２０３、２０２、２０１の順で上下一列に揃うように折り返され、副走査方向に高さを異なえてシリンダレンズ１１３に入射され、可動ミラー１０６へと向かう。各ビームは、シリンダレンズ１１３によって可動ミラー面の近傍で副走査方向に一旦収束され、偏向後は、ビーム同士が分離するように間隔を拡げつつｆθレンズ１２０に入射される。ｆθレンズ１２０は全てのステーションで共用され、副走査方向には収束力を持たない。

ｆθレンズ１２０を通った各光源ユニットからのビームのうち、光源ユニット１０７からのビームは、折返しミラー１２６で反射され、トロイダルレンズ１２２を介して感光体ドラム１０１上にスポット状に結像し、第１の画像形成ステーションとしてイエロー色の画像情報に基づいた潜像を形成する。光源ユニット１０８からのビームは、折返しミラー１２７で反射され、トロイダルレンズ１２３、折返しミラー１２８を介して感光体ドラム１０２上にスポット状に結像し、第２の画像形成ステーションとしてマゼンタ色の画像情報に基づいた潜像を形成する。光源ユニット１０９からのビームは、折返しミラー１２９で反射され、トロイダルレンズ１２４、折返しミラー１３０を介して感光体ドラム１０３上にスポット状に結像し、第３の画像形成ステーションとしてシアン色の画像情報に基づいた潜像を形成する。光源ユニット１１０からのビームは、折返しミラー１３１で反射され、トロイダルレンズ１２５、折返しミラー１３２を介して感光体ドラム１０４上にスポット状に結像し、第４の画像形成ステーションとしてブラック色の画像情報に基づいた潜像を形成する。

（実施形態４）
次に、本発明の実施形態の画像形成装置について説明する。

図１３は図１１に示す光走査装置を搭載した画像形成装置の例を示している。図１２の光走査装置を用いても同様である。

感光体ドラム９０１の周囲には感光体を高圧に帯電する帯電チャージャ９０２、光走査装置９００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９０３、現像ローラにトナーを補給するトナーカートリッジ９０４、ドラムに残ったトナーを掻き取って備蓄するクリーニングケース９０５が配置される。感光体ドラムへは振動ミラーの往復走査により１周期で２ライン毎の画像記録が行われる。

上記した画像形成ステーションは転写ベルト９０６の移動方向に並列され、イエロー、マゼンタ、シアン、ブラックのトナー画像が転写ベルト上にタイミングを合わせて順次転写され、重ね合わされてカラー画像が形成される。各画像形成ステーションはトナー色が異なるだけで、基本的には同一構成である。

一方、記録紙は給紙トレイ９０７から給紙コロ９０８により供給され、レジストローラ対９０９により副走査方向の記録開始のタイミングに合わせて送りだされ、転写ベルトからトナー画像が転写されて、定着ローラ９１０で定着して排紙ローラ９１２により排紙トレイ９１１に排出される。

上記の実施形態によれば、可動ミラーは、ミラー部を複数備えており、各ミラー部は、ねじり梁が共通で、かつ、回転軸と平行な方向に所定距離だけ離隔させて配備しているため、複数の光源ユニットからのビームを一括して偏向、走査でき、複数のステーションで各々形成した画像を重ね合わせるタンデム方式に適合した光走査が行うことが可能となる。

また、上記の実施形態によれば、可動ミラーは、ミラー部を形成する第１の基板と、ねじり梁で支持される振動板部を形成する第２の基板とから構成されることから、ミラー部の形成と振動板部の形成とを別々のプロセスにより各表面から行われるので、基板表面への成膜によって発生する引張り（又は圧縮）応力や、エッチングによって基板内部に残留した表面応力の開放などにより生じる基板の反りを基板間でキャンセルすることができ、ミラー面の平面性を保つことができる。そして、これによって、被走査面で微小なビームスポットに絞り込むことができ、高品位な画像記録が可能となる。また、共振振動数に対応したねじり梁設計によって選択される基板厚さと、可動ミラー揺動時の変形に対応した剛性を確保するための基板厚さとが異なっても容易に対応できる。

また、上記の実施形態によれば、ミラー部を補強する補強梁を振動板部に備えることにより、ミラー部を形成する基板の厚さが薄くても、揺動に伴うミラー面の変形を抑えることができ、そのうえ、ミラー部を軽量化できるので、画角の縮小を招くことなく被走査面で微小なビームスポットに絞り込むことができ、高品位な画像記録を行うことができる。

また、上記の実施形態によれば、質量を可変する質量調整部を振動板部に備えることにより、ウエハ内、あるいは、バッチ間で可動ミラーの作製プロセスによって発生した寸法誤差があっても、共振周波数のばらつきを抑えることができ、可動ミラー間で走査ラインピッチを揃えることができるので、複数のステーションで各々形成した画像を重ね合わせるタンデム方式において、色ずれや色変わりのない高品位な画像記録が可能となる。

また、上記の実施形態によれば、回動手段は、可動ミラーに形成された平面コイルと、回転軸に直交する方向に磁界を形成する永久磁石とを有し、平面コイルに流れる電流を制御して可動ミラーを揺動することにより、回転軸に平行な一辺に沿ったコイル長に応じた回転トルクを発生させることができ、ミラー幅によらず、画角の縮小を招くことがないので、共振振動型の可動ミラーによってポリゴンミラーと同様の光走査を行うことができる。

また、上記の実施形態によれば、可動ミラーによって走査されたビームを検出するビーム検出部を備え、その検出結果に基づいて、平面コイルに流れる電流を制御することにより、ビーム検出部によって可動ミラーの振れ角を計測し、フィードバック制御により振れ角を一定に保つことができる。このため、環境変化などがあっても、可動ミラー間で主走査倍率（主走査方向の走査幅）を揃えることができるので、複数のステーションで各々形成した画像を重ね合わせるタンデム方式において、色ずれや色変わりのない高品位な画像記録が可能となる。

また、上記の実施形態によれば、回動手段は、可動ミラーの共振振動数から外した周期で回転トルクを付与することにより、共振振動数から外した周波数帯域に走査周波数を設定し、振れ角の加減を制御できるので、可動ミラー間の共振周波数のばらつきや環境変化に伴う共振周波数のずれがあっても、可動ミラー間で主走査倍率（主走査方向の走査幅）を揃えることができる。このため、複数のステーションで各々形成した画像を重ね合わせるタンデム方式において、色ずれや色変わりのない高品位な画像記録を行うことができる。

また、上記の実施形態によれば、上記のいずれかの偏向装置を備え、光源装置からの光ビームを偏向し、結像光学系によってスポット状に結像させて、被走査面を走査する光走査装置であって、可動ミラーの回転軸上で光ビームが偏向するように光源装置を配備しているため、共振振動型の可動ミラーを用いても、被走査面上でポリゴンミラーを用いたのと同等の微小スポットに絞り込むことができ、また、複数のステーションで各々形成した画像を重ね合わせるタンデム方式の光走査装置としても十分適合できる。

また、上記の実施形態によれば、画像信号により変調された光源装置からの光ビームにより像担持体に静電像を記録し、上記静電像をトナーで顕像化して、記録媒体に画像を転写する画像形成装置であって、上記のいずれかの偏向装置を備え、光源装置からの光ビームを偏向し、結像光学系によってスポット状に結像させて、像担持体を走査することにより、共振振動型の可動ミラーの特長である低騒音、かつ低消費電力を生かしながら、ポリゴンミラーを用いたのと同等な高品位な画像記録が可能となる。

なお、上述する実施形態は、本発明の好適な実施形態であり、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。

本発明の実施形態に係る偏向装置の概略図である。 本発明の実施形態に係る偏向装置の正面図及び背面図である。 本発明の実施形態に係る偏向装置の分解斜視図である。 振動部の質量の可変による共振周波数ｆ０の変化を表したグラフである。 振動部の質量の可変による共振周波数の調整の様子を示した説明図である。 本発明の実施形態における振動ミラーを振幅する駆動回路のブロック図である。 電流の流れる方向を切り換える周波数ｆと振れ角θとの関係を表したグラフである。 本発明の実施形態における半導体レーザを変調する駆動回路のブロック図である。 任意の画素の位相をシフトしたもので、１／８クロックだけ位相を遅らせた場合の説明図である。 単一の周波数で変調した場合の、主走査位置に応じた各画素の位置ずれを示した説明図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置の概略図である。 本発明の実施形態に係る光走査装置の概略図である。 本発明の実施形態に係る画像形成装置の概略図である。 板状の可動ミラー及び説明のためのグラフである。

符号の説明

４４０ 振動ミラー基板
４４１ 可動ミラー
４４２ ねじり梁
４４３ 振動板
４４４ 補強梁
４４６ フレーム（裏面）
４４７ フレーム（表面）
４４８ 実装基板
４４９ ヨーク
４５０ 永久磁石
４５１ 位置決め部
４５２ エッジコネクタ部
４５３ 押え爪
４５４ コネクタ
４５５ 配線端子
４６０ 振動ミラー
４６１ 第２基板
４６２ 第１基板
４６３ コイルパターン
４６４ 端子
４６５ トリミング用パッチ

Claims (10)

1. 回転軸として設けられたねじり梁によって支持された振動板部と、当該振動板部に形成したミラー部とを備え、発光源からのビームを往復走査する振動ミラーと、
   前記振動ミラーに対して回転トルクを周期的に付与して揺動せしめる回動手段と、を有する偏向装置であって、
   前記回動手段は、前記振動板部の前記回転軸に直交する方向に前記回転軸からＲだけ離隔した前記回転軸に平行な一辺に沿って回転トルクを発生させ、
   前記ミラー部について前記回転軸に直交する方向の幅を２ｒ、前記回転軸に平行する方向の幅をｄとし、前記の回転トルクが発生する隔離した一辺の幅をＤとした場合に、
   Ｒ＜ｒ、Ｄ＞ｄであり、かつ、Ｄ≧ｄ・（ｒ／Ｒ）＾２
   となる関係を有することを特徴とする偏向装置。
2. 前記振動ミラーは、前記ミラー部を形成する第１の基板と、前記ねじり梁で支持される振動板部を形成する第２の基板とからなることを特徴とする請求項１に記載の偏向装置。
3. 前記振動ミラーは、前記回転軸と平行する方向に所定の距離だけ隔離させて複数の前記ミラー部が配置されており、かつ、前記振動板部において共通の前記ねじり梁が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の偏向装置。
4. 前記振動板部は、前記ミラー部を補強する補強梁を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の偏向装置。
5. 前記振動板部は、質量を可変する質量調整部を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の偏向装置。
6. 前記回動手段は、前記振動板部に設けられた平面コイルと、前記振動板部端に対向して配備され、前記回転軸に直交する方向に磁界を形成する永久磁石とを有し、前記平面コイルに流れる電流を制御して前記振動ミラーを揺動することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の偏向装置。
7. 前記回動手段は、前記振動ミラーにより走査されたビームを検出するビーム検出部を備え、前記検出結果に基づいて、前記平面コイルに流れる電流を制御して前記振動ミラーを揺動することを特徴とする請求項６に記載の偏向装置。
8. 前記回動手段は、前記振動ミラーの共振振動数から外した周期で回転トルクを付与することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の偏向装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の偏向装置を備え、
   光源装置からの光ビームを偏向し、結像光学系によりスポット状に結像させて、被走査面を走査する光走査装置において、
   前記振動ミラーの前記回転軸上で光ビームが偏向するように前記光源装置を設けることを特徴とする光走査装置。
10. 画像信号により変調された光源装置からの光ビームにより像担持体に静電像を記録し、前記静電像をトナーで顕像化して、記録媒体に画像を転写する画像形成装置において、
    請求項９に記載の光走査装置を備えることを特徴とする画像形成装置。

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