JP5159028B2 - 揺動体を有する光偏向装置、及びその調整方法 - Google Patents

揺動体を有する光偏向装置、及びその調整方法 Download PDF

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Description

本発明は、マイクロ構造体の技術分野に関連する技術などを用いて形成され得る揺動体を有する光偏向装置、及びこれの調整方法に関する。また、この光偏向装置を使用した走査型ディスプレイやレーザービームプリンタやデジタル複写機等の画像形成装置に関するものである。
従来、ミラーが共振駆動される光偏向装置が色々と提案されている。共振型光偏向装置は、ポリゴンミラー等の回転多面鏡を使用した光走査光学系に比べて、光偏向装置を大幅に小型化するのが可能であること、Ｑ値が高いので消費電力が少ないこと、面倒れが理論的に存在しないこと、特に半導体プロセスによって製造されるＳｉ単結晶からなる光偏向装置は理論上金属疲労が無く耐久性にも優れていること等の特徴がある（特許文献１参照）。
一方、共振型光偏向器においては、環境温度変化に伴い、材料特性が変化して共振振動数がずれ、振れ角が極端に減少するという問題点がある。この問題を解決するために、誘導起電力により振れ角を検出して、共振振動数のずれに追従して印加する励振電流の駆動周波数を可変とする方法（特許文献２参照）など、振動数のずれに追従して駆動周波数を可変とする方法が数多く提案されている。
また、光偏向器にヒータと温度センサと温度制御回路を付加することで光偏向器の共振周波数を制御する方法（特許文献３参照）など、温度補償により共振周波数を可変とする方法も数多く提案されている。
特開昭57-8520号公報 特開2001-305471号公報 特開平05-260267号公報
しかしながら、光偏向器の温度変化は環境温度の変化によるものだけでなく、レーザ光源を偏向する際、画像データに応じて変調するレーザ光によって光偏向器の温度が変動する現象もある。この変動は、環境温度変化によるものと比べ、非常に変化が速く、数十msecもしくはそれ以下であると見積もれる。この際、低出力なレーザ光源の場合、この温度の変化量は無視できるほど小さいが、高出力のレーザ光源を用いた場合は、温度変化がより顕著に現れる。こうした光偏向器を用いる画像形成装置では、この温度変化に伴い光偏向器の共振周波数が変化するため、投影した画像の劣化が生じる。
一方、光偏向器の振動状態の変化が静定する時間はＱ値に比例するため、Ｑ値が高い共振型光偏向器の場合、静定時間は数十msecと見積もれる。また、ヒータ等により光偏向器の温度を変化させた場合も、その静定時間は数十msecと見積もれる。以上のように、偏向光の変調による光偏向器の温度変化は光偏向器の振動静定時間と同じオーダで変化するため、偏向光の変調による温度変化を上記従来技術で制御することは困難である。
上記課題に鑑み、本発明の光偏向装置は、振動体が弾性支持部により支持基板に対して揺動可能に支持された光偏向器と、前記光偏向器の温度を調整する温度調整手段と、少なくとも一つ以上の光源と、画像を形成する描画光を生成するための変調信号により前記光源の少なくとも一つを変調駆動する変調手段と、を有し、前記少なくとも一つの光源からの光を前記光偏向器で偏向し、前記描画光を被照射体上に照射して画像を形成する画像形成装置である。そして、前記温度調整手段は、画像を形成する描画時間と画像を形成しない非描画時間とから成る単位時間において、前記描画時間で前記光偏向器へ照射される前記描画光の量を考慮して、前記非描画時間で前記光偏向器へ前記少なくとも一つの光源から照射される前記描画光以外の光の量を調整することで、前記少なくとも一つの光源から前記光偏向器へ照射される光のパワーの総和が一定に近づくように調整することにより、前記光偏向器の共振周波数を安定させるように前記光偏向器の温度を調整することを特徴とする。
また、上記課題に鑑み、本発明の光偏向装置の調整方法は、振動体が弾性支持部により支持基板に対して揺動可能に支持された光偏向器と、少なくとも一つの光源と、画像を形成する描画光を生成するための変調信号により前記光源の少なくとも一つを変調駆動する変調手段と、を有し、前記少なくとも一つの光源からの光を前記光偏向器で偏向し、前記描画光を被照射体上に照射して画像を形成する画像形成装置の調整方法であって、画像を形成する描画時間と画像を形成しない非描画時間とから成る単位時間において、前記描画時間で前記光偏向器へ照射される前記描画光の量を考慮して、前記非描画時間で前記光偏向器へ前記少なくとも一つの光源から照射される前記描画光以外の光の量を調整することで、前記少なくとも一つの光源から前記光偏向器へ照射される光のパワーの総和が一定に近づくように調整し、前記光偏向器の共振周波数を安定させるように前記光偏向器の温度を調整することを特徴とする。
本発明により、高出力なレーザ光源などの光源を用いた光偏向装置であっても、描画データに基づく偏向光の変調に伴う光偏向器の温度変化を補償用光照射により補償できるので、振動状態を良好に保つことができる。したがって、本発明の光偏向装置を用いた画像形成装置において、良好な画像を形成することができる。
以下に、本発明の実施の形態を明らかにすべく、具体的な実施例を図面を参照しつつ説明する。
＜第１の実施例＞
本発明の第１の実施例について図面を用いて説明する。図１は本実施例による画像形成装置の制御方法の構成図である。本実施例において、光偏向器１０は、可動板ないし揺動体と、支持基板と、可動板を支持基板に対してねじり回転可能に支持する弾性支持部から成る。光偏向器１０は、直接変調可能な半導体レーザであるレーザ光源２０からの変調光を偏向する。また、この光偏向器１０は、制御部３０の駆動制御部３１によって駆動・制御される。また、レーザ光源２０は、制御部３０の変調手段を有する光源制御部３２によって変調駆動される。また、光源制御部３２は外部からの描画データを取り込んで変調信号に変換し、レーザ光源２０を変調信号にしたがって変調駆動する機能と、光偏向器１０の共振周波数を安定させるために変調駆動する温度調整手段とを有する。
光偏向器１０の可動板は共振駆動するため、その駆動は図２に示すように正弦波駆動となる。本実施例では、可動板の最大振幅の７０％の領域を描画領域４１とし、その領域内の光偏向器１０の順方向走査および逆方向走査を使って偏向光で被照射体上に画像を形成する。もちろん、一方向走査のみで画像を形成してもかまわない。
描画領域４１の走査時間を描画時間４２とし、それ以外の時間を非描画時間４３とすると、描画時間４２は全体の約４９.４％、非描画時間４３は約５０.６％となる。本実施例では描画領域４１を可動板の最大振幅の７０％としたが、その割合はいかなるものでもよい。さらに、本実施例では、図３に示すように光偏向器１０で偏向された光の内、描画領域４１以外の偏向光が被照射体である投影面５１に達しないように、非描画領域フィルタ５２を設置している。
さらに本実施例では、描画データによる変調光の照射量変動に起因する光偏向器１０の共振周波数変化を補正するために、図４に示す描画時間４２と非描画時間４３を含む振動周期の半周期を単位補償時間４４とし、複数の補償時間４４内においてレーザ光源２０から光偏向器１０へ照射されるパワーの総和が一定となるように制御する。より具体的には、描画時間４２にレーザ光源２０から発光され光偏向器１０に吸収されるパワーは描画データによって変るため、光偏向器１０の共振周波数の変化を引き起こし画像の劣化につながる。よって、非描画時間４３でもレーザ光源２０を発光し、単位補償時間４４内に光偏向器１０へ照射されるパワーの総和を常に一定とするものである。
つまり、単位補償時間４４内での描画時間４２で光偏向器１０に照射されるパワーをPce、非描画時間４３で光偏向器１０に照射されるパワーをPedとすると、単位補償時間４４内で光偏向器１０に照射されるパワーPtoは
Pto=Pce+Ped （式１）
で表される。単位補償時間４４内での光偏向器１０に照射されるパワーPtoを画像形成装置の動作期間内で一定とすることで、描画データにかかわらず光偏向器１０の共振周波数が安定し、良好な画像形成を実現することができる。
描画時間４２で光偏向器１０に照射されるパワーPceは、予め光源制御部３２で把握できるので、それに基づいて、描画時間４２に続く非描画時間４３でどの位のパワーを照射したら良いかが式１によって決定され、その照射が実行される。また、本実施例では、こうした照射制御を、連続して続く各単位補償時間４４で実行しているが、とびとび（例えば、１つおき）の単位補償時間４４のみで実行してもよい。前者のほうが共振周波数安定効果は優れるが、後者でも一定の共振周波数安定効果はある。
本実施例では、単位補償時間４４を描画時間４２と非描画時間４３を含む振動周期の半周期としたが、１/４周期（これは、時間を単位補償時間４４に連続して区切った場合に、描画時間４２と非描画時間４３を一定割合で含み得る最小の時間である）の整数倍であるいかなる時間でもよい。
＜第２の実施例＞
次に、本発明の第２の実施例について図面を用いて説明する。図５は本実施例による画像形成装置の制御方法の構成図である。光偏向器１０、描画レーザ光源２１、制御部３０の駆動制御部３１については、第１の実施例の対応するものと同じである。
本実施例では、描画データによる変調光の照射量変動に起因する光偏向器１０の共振周波数変化を補正するために、描画レーザ光源２１とは別の温度補償用レーザ光源２２からの光を光偏向器１０に照射し、単位補償時間内で光偏向器１０へ照射されるパワーの総和が常に一定となるように制御する。
つまり、単位補償時間４４内で描画レーザ光源２１から発光され光偏向器１０に吸収されるパワーをPdr、温度補償レーザ光源２２から発光され光偏向器１０に吸収されるパワーをPco、とすると、単位補償時間４４内での光偏向器１０に照射されるパワーPtoは
Pto=Pdr+Pco
（式２）
で表される。本実施例でも、単位補償時間４４内での光偏向器１０に照射されるパワーを画像形成装置の動作期間内で常に一定とすることで、描画データにかかわらず光偏向器１０の共振周波数が安定し、良好な画像形成を実現することができる。
また、本実施例では、図６に示すように温度補償レーザ光源２２の光が投影面５１に投影されるのを防ぐために、描画レーザ光源２１と温度補償レーザ光源２２の波長を異なるものとし、温度補償レーザ光源２２の光を吸収する温度補償レーザ用フィルタ５３を光偏向器１０と投影面５１の間に配置している。したがって、本実施例では、温度補償レーザ光源２２を発光させる時間は、非描画時間４３内に限られず、単位補償時間４４内のいずれの時でもよい。例えば、単位補償時間４４を画素走査時間とし、各画素走査時間において描画レーザ光源２１と温度補償レーザ光源２２を互いに逆変調態様（例えば、一方がオンなら、他方がオフ）で変調して、画素走査時間内での光偏向器１０に照射されるパワーの総和が一定となる様にすることもできる。ただし、描画レーザ光源２１と温度補償レーザ光源２２の波長が同じであれば、温度補償レーザ光源２２を発光させる時間は、非描画時間領域４３内になければならない。
＜第３の実施例＞
次に、本発明の第３の実施例について図面を用いて説明する。図７は本実施例による画像形成装置の制御方法の構成図である。光偏向器１０、レーザ光源２０、制御部３０の駆動制御部３１については、第１の実施例の対応するものと同じである。光源制御部３２は外部からの描画データを取り込んで変調信号に変換し、レーザ光源２０を変調信号にしたがって変調駆動する機能のみを有する。制御部３０の温度制御部３３は変調信号に応じて発熱素子６０によって光偏向器１０の温度を調節する。
本実施例では、光偏向器１０には発熱素子６０が近接して配置されている。より詳しくは、光偏向器１０の弾性支持部にヒータを実装している（例えば、抵抗体を貼り付けている）。したがって、制御部３０の温度制御部３３に従いヒータにより、弾性支持部の温度は任意に変化させられる。本実施例では発熱素子６０をヒータとし、弾性支持部に実装したが、ペルチェ素子等の発熱素子でも可能であり、可動板上等の光偏向素子のいかなる場所にも実装可能である。
本実施例は、描画データによる光偏向器１０の共振周波数変化を補正するために、温調素子６０を制御し、レーザ光源２０による光偏向器１０の温度変化を補正するものである。つまり、単位補償時間内でレーザ光源２０から発光され光偏向器１０に吸収されるパワーをPdr、温調素子６０に注入する電流量をIとすると、単位補償時間内において光偏向器１０で維持されるべき温度Tは
T=C・Pdr+D・I （式３）
で表される。ここで、Cはパワー-温度変換係数であり、Dは電流-温度変換係数である。これらのパワー-温度変換係数、電流-温度変換係数は予め測定されて、温度制御部３３に記憶されている。単位補償時間内での光偏向器１０の温度Tを画像形成装置の動作期間内で常に一定とすることで、描画データにかかわらず光偏向器１０の共振周波数が安定し、良好な画像形成を実現することができる。描画時間４２で光偏向器１０に照射されるパワーPdrは、予め光源制御部３２で把握できるので、それに基づいて、温度制御部３３はヒータにどれ位電流を供給すれば良いかを式３によって決定し、その電流供給を実行する。
ところで、上記各実施例では、単位補償時間は光偏向器の振動静定時間より十分に短い１μsecとしたが、光偏向器の振動静定時間よりも短ければいかなる時間でも良い。
＜第４の実施例＞
次に、本発明の第４の実施例について図面を用いて説明する。図８は本実施例による画像形成装置の制御方法の構成図である。本実施例は、本発明の画像形成装置の制御方法（上記実施例で説明したようなもの）をレーザビームプリンタ（ＬＢＰ）に用いたものである。本実施例の画像形成装置の制御方法により光偏向器の共振周波数が安定して、描画データによらず感光体ドラム６５上に良好な画像を形成することが出来る。
＜第５の実施例＞
次に、本発明の第５の実施例について図面を用いて説明する。図９は本実施例による画像形成装置の制御方法の構成図である。本実施例は本発明の画像形成装置の制御方法をプロジェクターに用いたものである。画像形成装置１からの１次元の走査光を、垂直光偏向器７１によりスクリーン７２へ２次元的に走査して投影するものである。本実施例の画像形成装置の制御方法によっても光偏向器の共振周波数が安定して、描画データによらずスクリーン７２上に良好な画像を形成することが出来る。
本発明の第１の実施例の画像形成装置の制御方法の模式的な構成図。 光偏向器の振動軌跡を示す図。 非描画領域フィルタを説明する図。 単位補償時間を説明する図。 本発明の第２の実施例の画像形成装置の制御方法の模式的な構成図。 温度補償レーザ用フィルタを説明する図。 本発明の第３の実施例の画像形成装置の制御方法の模式的な構成図。 本発明の第４の実施例の画像形成装置の制御方法の模式的な構成図。 本発明の第５の実施例の画像形成装置の制御方法の模式的な構成図。
符号の説明
１ 画像形成装置
１０ 光偏向器
２０、２１、２２ 光源（レーザ光源、描画レーザ光源、温度補償レーザ光源）
３０ 制御部
４１ 描画領域
４２ 描画時間
４３ 非描画時間
４４ 特定時間（単位補償時間）
５１、６５、７２ 被照射体（投影面、感光体、スクリーン）
６０ 発熱素子

Claims (5)

  1. 振動体が弾性支持部により支持基板に対して揺動可能に支持された光偏向器と、前記光偏向器の温度を調整する温度調整手段と、少なくとも一つの光源と、画像を形成する描画光を生成するための変調信号により前記光源の少なくとも一つを変調駆動する変調手段と、を有し、前記少なくとも一つの光源からの光を前記光偏向器で偏向し、前記描画光を被照射体上に照射して画像を形成する画像形成装置であって、
    前記温度調整手段は、
    画像を形成する描画時間と画像を形成しない非描画時間とから成る単位時間において、
    前記描画時間で前記光偏向器へ照射される前記描画光の量を考慮して、前記非描画時間で前記光偏向器へ前記少なくとも一つの光源から照射される前記描画光以外の光の量を調整することで、前記少なくとも一つの光源から前記光偏向器へ照射される光のパワーの総和が一定に近づくように調整することにより、前記光偏向器の共振周波数を安定させるように前記光偏向器の温度を調整することを特徴とする画像形成装置。
  2. 前記単位時間が、前記光偏向器の前記揺動体の振動周期の１/４の整数倍の時間であることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
  3. 前記少なくとも一つの光源が、前記描画光と描画光以外の光を共に発するための一つの光源であることを特徴とする請求項１または２に記載の画像形成装置。
  4. 前記少なくとも一つの光源が、前記描画光を発するための光源と描画光以外の光を発するための光源を含む二つ以上の異なる波長の光源であり、
    前記描画光以外の光が前記被照射体に到達しないようにするフィルタが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の画像形成装置。
  5. 振動体が弾性支持部により支持基板に対して揺動可能に支持された光偏向器と、少なくとも一つの光源と、画像を形成する描画光を生成するための変調信号により前記光源の少なくとも一つを変調駆動する変調手段と、を有し、前記少なくとも一つの光源からの光を前記光偏向器で偏向し、前記描画光を被照射体上に照射して画像を形成する画像形成装置の調整方法であって、
    画像を形成する描画時間と画像を形成しない非描画時間とから成る単位時間において、
    前記描画時間で前記光偏向器へ照射される前記描画光の量を考慮して、前記非描画時間で前記光偏向器へ前記少なくとも一つの光源から照射される前記描画光以外の光の量を調整することで、前記少なくとも一つの光源から前記光偏向器へ照射される光のパワーの総和が一定に近づくように調整し、
    前記光偏向器の共振周波数を安定させるように前記光偏向器の温度を調整することを特徴とする画像形成装置の調整方法。
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