JP5614167B2 - Optical deflector, optical scanning device, image forming apparatus, and image projecting apparatus - Google Patents

Optical deflector, optical scanning device, image forming apparatus, and image projecting apparatus Download PDF

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本発明は、レーザ光等の光ビームを偏向・走査する光偏向器、詳しくは圧電力を用いた光偏向器に関し、さらに、この光偏向器を備えた光走査装置、この光走査装置を光書込みユニットとして備える画像形成装置、この光偏向器を投影面の走査ユニットとして備える画像投影装置に関する。   The present invention relates to an optical deflector that deflects and scans a light beam such as a laser beam, and more particularly to an optical deflector that uses a piezoelectric power. Further, the present invention relates to an optical scanning device including the optical deflector, The present invention relates to an image forming apparatus provided as a writing unit and an image projecting apparatus provided with the optical deflector as a projection unit scanning unit.

レーザ光等の光ビームを偏向・走査する光偏向器は、複写機等の画像形成装置、画像投影装置、さらには、レーザビームプリンタ、バーコードスキャナなどに広く用いられている。従来、この種の光偏向器として、静電力を用いたもの、電磁力を用いたもの、圧電力を用いたものなどが知られている。   An optical deflector that deflects and scans a light beam such as a laser beam is widely used in an image forming apparatus such as a copying machine, an image projection apparatus, a laser beam printer, a barcode scanner, and the like. Conventionally, as this type of optical deflector, one using an electrostatic force, one using an electromagnetic force, one using a piezoelectric force, and the like are known.

静電力を用いた光偏向器は、電極の形状が平行平板型と櫛歯型のものがあり、櫛歯型の電極では近年の微細加工技術の向上によって比較的大きな駆動力を発生できるようにはなったが、十分な光ビームの偏向角が得られないため、駆動電圧を大きくして補うしかない。しかし、駆動電圧を大きくしようとすると、電源系の部品が大きくなり、全体として大型化したり、コストが増加することとなる。   There are two types of optical deflectors using electrostatic force, parallel plate type and comb type, so that the comb type electrode can generate a relatively large driving force by the recent improvement of microfabrication technology. However, since a sufficient deflection angle of the light beam cannot be obtained, the drive voltage must be increased to compensate. However, if the drive voltage is increased, the power supply system components become larger, resulting in an increase in size as a whole and an increase in cost.

電磁力を用いた光偏向器は、大きな偏向角を得るためには、永久磁石の磁力を強めるか、コイルの電流を大きくする必要があり、大型化や消費電力の増大を招くこととなる。小型化のため磁歪膜などを用いたものも検討されているが、磁性体としての特性が劣る問題がある。また、コイルに電流を流すと余分な熱が発生し、この点からも消費電力が大きくなってしまう。   In order to obtain a large deflection angle, an optical deflector using electromagnetic force needs to increase the magnetic force of a permanent magnet or increase the current of a coil, leading to an increase in size and an increase in power consumption. Although the use of a magnetostrictive film or the like has been studied for miniaturization, there is a problem that characteristics as a magnetic material are inferior. Further, when a current is passed through the coil, extra heat is generated, and power consumption increases from this point.

一方、圧電力を用いた場合は、比較的大きな駆動電圧が必要ではあるが、小さな電力で大きな力を発生させることが可能である。また、圧電材料を梁状弾性部材に張り合わせてユニモルフ構造、バイモルフ構造とすることで、圧電力による面内方向のわずかな歪みを反りに変えることで大きな変形を得ることも可能である。しかし、従来の圧電力を用いた光偏向器には、まだ種々の問題がある。   On the other hand, when the piezoelectric power is used, a relatively large driving voltage is required, but a large force can be generated with a small power. In addition, it is possible to obtain a large deformation by changing a slight distortion in the in-plane direction due to the piezoelectric force into a warp by bonding the piezoelectric material to the beam-like elastic member to form a unimorph structure or a bimorph structure. However, the conventional optical deflector using the piezoelectric power still has various problems.

例えば、特許文献1には、マイクロミラーが揺動可能に支持された枠体全体をバルク圧電素子により加振することで、マイクロミラーを回転振動させる光偏向器が記載されている。しかしながら、バルク圧電素子を使用しているため、加振振幅が小さく、また、小型化が困難で、コストがかかること云う問題がある。   For example, Patent Document 1 describes an optical deflector that vibrates and rotates a micromirror by vibrating a whole frame body on which the micromirror is swingably supported by a bulk piezoelectric element. However, since the bulk piezoelectric element is used, there is a problem that the excitation amplitude is small, miniaturization is difficult, and the cost is high.

また、特許文献2には、一対の圧電バイモルフの各一端を基体に片持ち梁状に固定し、自由端同士を連結部材で接続し、該連結部材の中央部から圧電バイモルフと平行に延出したねじり変形部材にミラー部を設けた構成の光偏光器が記載されている。この光偏光器では、ねじり変形部は一端を自由端としているので、ねじり変形方向だけではなく曲げ方向にも変形ができ、ミラー部は2軸方向の回転動作が可能になっている。しかしながら、ねじり変形部材は圧電バイモルフと平行に配置されているため、バイモルフの曲げによるモーメントが十分に生かされてない問題がある。また、ねじりと直交する曲げ方向の動作についても、圧電バイモルフの変形量は非常に小さいため、周波数を高くしようとした場合、ねじり部材の剛性を上げると、曲げ方向に変形しにくくなるため、曲げ方向の動作は大きな振幅を得ることが難しい問題がある。   In Patent Document 2, one end of a pair of piezoelectric bimorphs is fixed to a base in a cantilever shape, the free ends are connected to each other by a connecting member, and the central portion of the connecting member extends in parallel with the piezoelectric bimorph. An optical polarizer having a configuration in which a mirror portion is provided on the twisted deformable member is described. In this optical polarizer, the torsional deforming part has one end as a free end, so that it can be deformed not only in the torsional deformation direction but also in the bending direction, and the mirror part can be rotated in the biaxial direction. However, since the torsional deformable member is arranged in parallel with the piezoelectric bimorph, there is a problem that the moment due to the bending of the bimorph is not fully utilized. Also, regarding the operation in the bending direction orthogonal to the torsion, the deformation amount of the piezoelectric bimorph is very small. Therefore, if the frequency is to be increased, increasing the rigidity of the torsion member makes it difficult to deform in the bending direction. Directional movement has a problem that it is difficult to obtain a large amplitude.

また、特許文献3には、ミラー部の両側に接続されて、ミラー部を揺動可能に支持する一対の弾性支持部材をそれぞれ、圧電材料を梁状弾性部材に張り合わせた一対の駆動梁(カンチレバー)で、該弾性支持部材の軸と直角に固定ベースの両方から支持し、これから一対の駆動梁を互い逆方向に駆動(逆相駆動)することで、ミラー部を回転振動させる光偏向器が記載されている。しかしながら、ミラー部と該ミラー部の支持部材は、その両端がそれぞれ一対の駆動梁で固定ベースの両方向から支持される構成であるため、ミラー部の回転振幅には限界があり、また、一方向の回転振幅に計4個の駆動梁を配置する必要があるため、小型化も困難であり、コスト高になる問題がある。   In Patent Document 3, a pair of elastic support members that are connected to both sides of the mirror portion and support the mirror portion in a swingable manner are respectively paired with a drive beam (cantilever) in which a piezoelectric material is bonded to a beam-like elastic member. ), An optical deflector that rotates and vibrates the mirror unit by supporting the pair of drive beams in opposite directions (reverse phase drive) from the fixed base at right angles to the axis of the elastic support member. Have been described. However, since the mirror part and the support member of the mirror part are configured such that both ends thereof are supported from both directions of the fixed base by a pair of driving beams, the rotational amplitude of the mirror part is limited, and one direction Since it is necessary to arrange a total of four drive beams at the rotation amplitude of the motor, downsizing is difficult and there is a problem that the cost increases.

さらに、引用文献4には、ミラー部と該ミラー部を揺動可能に支持する一対の弾性支持部材との間に、ミラー部の外周を囲むようにフレームを設け、ミラー部と該フレームとを複数の連結部材で連結して、ミラー部の動的変形を減少させるようにした光偏向器(マイクロミラーデバイス)が記載されている。しかしながら、引用文献4の構成では、ミラー部から弾性支持部材への熱抵抗が小さく、光源照射によるミラー部の温度上昇により弾性支持部材の温度も上昇して、偏向ミラー系の共振周波数が大きく変動する問題がある。   Further, in the cited document 4, a frame is provided between the mirror part and a pair of elastic support members that support the mirror part so as to be swingable so as to surround the outer periphery of the mirror part. An optical deflector (micromirror device) is described which is connected by a plurality of connecting members to reduce dynamic deformation of the mirror portion. However, in the configuration of Cited Document 4, the thermal resistance from the mirror part to the elastic support member is small, the temperature of the elastic support member rises due to the temperature rise of the mirror part due to light source irradiation, and the resonance frequency of the deflection mirror system fluctuates greatly. There is a problem to do.

本発明は、従来の圧電力を用いる光偏向器の上記のような問題を解決し、小型で駆動効率が良く、大きな回転振幅が得られ、且つ、動的変形が低減できる光偏向器を提供することにある。さらには、ミラー部の温度上昇による共振周波数の変動が低減できる光偏向器を提供することにある。   The present invention solves the above-mentioned problems of a conventional optical deflector using piezoelectric power, and provides an optical deflector that is small in size, has good driving efficiency, can obtain a large rotational amplitude, and can reduce dynamic deformation. There is to do. Furthermore, it is providing the optical deflector which can reduce the fluctuation | variation of the resonant frequency by the temperature rise of a mirror part.

また、本発明は、小型で駆動効率がよく、大振幅が得られ、且つ、動的変形が低減でき、さらには、共振周波数の変動が低減できる光偏向器を用いて、特性の良い光走査装置を提供することにある。   In addition, the present invention is small in size, high in driving efficiency, large amplitude can be obtained, dynamic deformation can be reduced, and furthermore, optical scanning with good characteristics can be performed using an optical deflector that can reduce fluctuations in resonance frequency. To provide an apparatus.

また、本発明は、小型で駆動効率がよく、大振幅が得られ、且つ、動的変形が低減でき、さらには、共振周波数の変動が低減できる光偏向器を用いた光走査装置を光書込みユニットに用いて、性能の良い画像形成装置を提供することにある。   In addition, the present invention provides an optical writing apparatus for optical writing using an optical deflector that is small in size, has good driving efficiency, obtains a large amplitude, can reduce dynamic deformation, and can also reduce fluctuations in resonance frequency. An object of the present invention is to provide an image forming apparatus having good performance when used in a unit.

さらに、本発明は、小型で駆動効率がよく、大振幅が得られ、且つ、動的変形が低減でき、さらには、共振周波数の変動が低減できる光偏向器を用いて、消費電力が小さく、広画角な投影が得られる画像投影装置を提供することにある。   Furthermore, the present invention is small in size, good in driving efficiency, large amplitude can be obtained, dynamic deformation can be reduced, and furthermore, power consumption can be reduced by using an optical deflector that can reduce variation in resonance frequency, An object of the present invention is to provide an image projection apparatus capable of obtaining a projection with a wide angle of view.

本発明の光偏向器は、固定ベースと、光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を囲う内部枠部材と、前記内部枠部材と前記ミラー部を接続する複数の連結部材と、前記ミラー部を前記内部枠部材を介して揺動可能に支持する一対の弾性支持部材と、梁状部材に圧電部材が固着された一対の駆動梁とを有し、前記弾性支持部材の長手方向と前記駆動梁の長手方向とが略直交して配置されて、両者が接続され、前記駆動梁の他端は固定ベースに固定されて、一対の前記駆動梁で、前記ミラー部と前記内部枠部材と一対の前記弾性支持部材とが前記固定ベースに対して片持ち支持され、前記駆動梁が曲げ振動することで、前記弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記ミラー部が前記内部枠部材と一体に回転振動する一方、前記弾性支持部材と前記駆動梁の接続部分に、前記光反射面と垂直な方向の厚さが部分的に薄くなるように窪みが形成されていることを特徴とする。 The optical deflector of the present invention includes a fixed base, a mirror part having a light reflecting surface, an inner frame member surrounding the mirror part, a plurality of connecting members connecting the inner frame member and the mirror part, and the mirror A pair of elastic support members that pivotably support the portion via the inner frame member, and a pair of drive beams in which a piezoelectric member is fixed to a beam-shaped member, and the longitudinal direction of the elastic support member and the The longitudinal direction of the drive beam is disposed substantially orthogonally to each other, the other end of the drive beam is fixed to a fixed base, and the mirror portion and the inner frame member are fixed to a fixed base. A pair of the elastic support members are cantilevered with respect to the fixed base, and the drive beam bends and vibrates, whereby torsional deformation occurs in the elastic support member, and the mirror portion is connected to the inner frame member. while rotational vibration integrally with the elastic supporting member The connecting portion of the serial drive beam, the thickness of the light reflecting surface and a direction perpendicular, characterized in that the partially so as to dent thin is formed.

また、本発明の光偏向器は、可動枠と、光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を囲う内部枠部材と、前記内部枠部材と前記ミラー部を接続する複数の連結部材と、前記ミラー部を前記内部枠部材を介して揺動可能に支持する一対の第1の弾性支持部材と、梁状部材に圧電部材が固着された一対の第1の駆動梁と、前記可動枠を揺動可能に支持する一対の第2の弾性支持部材と、梁状部材に圧電部材が固着された一対の第2の駆動梁と、固定ベースとを有し、前記第1の弾性支持部材の長手方向と前記第1の駆動梁の長手方向とが略直交して配置されて、両者が接続され、前記第1の駆動梁の他端は前記可動枠に固定されて、一対の前記第1の駆動梁で、前記ミラー部と前記内部枠部材と前記一対の第1の弾性支持部材とが前記可動枠に対して片持ち支持され、前記第2の弾性支持部材の長手方向と前記第2の駆動梁の長手方向とが略直交して配置されて、両者が接続され、前記第2の駆動梁の他端は固定ベースに固定されて、一対の前記第2の駆動梁で、前記可動枠と一対の前記第2の弾性支持部材とが前記固定ベースに対して片持ち支持され、前記第1の駆動梁が曲げ振動することで、前記第1の弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記ミラー部が前記内部枠部材と一体に第1の方向に回転振動し、前記第2の駆動梁が曲げ振動することで、前記第2の弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記可動枠が回転振動し、前記ミラー部が前記内部枠部材と一体に第2の方向に回転振動することを特徴とする。   Further, the optical deflector of the present invention includes a movable frame, a mirror part having a light reflecting surface, an inner frame member surrounding the mirror part, and a plurality of connecting members connecting the inner frame member and the mirror part, A pair of first elastic support members that swingably support the mirror portion via the inner frame member, a pair of first drive beams having a piezoelectric member fixed to a beam-like member, and the movable frame A pair of second elastic support members supported in a swingable manner, a pair of second drive beams in which a piezoelectric member is fixed to the beam-like member, and a fixed base; The longitudinal direction and the longitudinal direction of the first driving beam are disposed substantially orthogonally to each other, and the other ends of the first driving beam are fixed to the movable frame, and the pair of the first driving beams The mirror portion, the inner frame member, and the pair of first elastic support members on the movable frame. The longitudinal direction of the second elastic support member and the longitudinal direction of the second drive beam are arranged substantially orthogonal to each other and connected to each other. Ends are fixed to a fixed base, and the movable frame and the pair of second elastic support members are cantilevered with respect to the fixed base by a pair of the second drive beams, and the first drive By bending vibration of the beam, torsional deformation occurs in the first elastic support member, the mirror portion rotates and vibrates in the first direction integrally with the inner frame member, and the second drive beam By bending vibration, torsional deformation occurs in the second elastic support member, the movable frame rotates and vibrates, and the mirror portion rotates and vibrates in the second direction integrally with the inner frame member. Features.

また、本発明の光偏向器は、可動枠と、光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を囲う内部枠部材と、前記内部枠部材と前記ミラー部を接続する複数の連結部材と、前記ミラー部を前記内部枠部材を介して揺動可能に支持する一対の第1の弾性支持部材と、前記可動枠を揺動可能に支持する一対の第2の弾性支持部材と、梁状部材に圧電部材が固着された一対の駆動梁と、固定ベースとを有し、一対の前記第1の弾性支持部材は、その一端が前記ミラー部に接続され、他端が前記可動枠に固定されて、前記ミラー部が前記内部枠部材を介して揺動可能に支持され、前記第2の弾性支持部材の長手方向と前記駆動梁の長手方向とが略直交して配置されて、両者が接続され、前記駆動梁の他端は固定ベースに固定されて、一対の前記駆動梁で、前記可動枠と一対の前記第2の弾性支持部材とが前記固定ベースに対して片持ち支持され、一対の前記駆動梁が逆位相で曲げ振動することで、一対の前記第1の弾性支持部材の軸周りに回転振動が発生して、前記ミラー部が前記内部枠部材と一体に第1の方向に回転振動し、一対の前記振動梁が同位相で曲げ振動することで、前記第2の弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記可動枠が回転振動し、前記ミラー部が前記内部枠部材と一体に第2の方向に回転振動することを特徴とする。   Further, the optical deflector of the present invention includes a movable frame, a mirror part having a light reflecting surface, an inner frame member surrounding the mirror part, and a plurality of connecting members connecting the inner frame member and the mirror part, A pair of first elastic support members for swingably supporting the mirror portion via the inner frame member, a pair of second elastic support members for swingably supporting the movable frame, and a beam-shaped member A pair of drive beams to which a piezoelectric member is fixed, and a fixed base. One end of the pair of first elastic support members is connected to the mirror portion, and the other end is fixed to the movable frame. The mirror portion is swingably supported via the inner frame member, and the longitudinal direction of the second elastic support member and the longitudinal direction of the drive beam are arranged substantially orthogonal to each other, and the two are connected. The other end of the drive beam is fixed to a fixed base, and a pair of the drive beams The movable frame and the pair of second elastic support members are cantilevered with respect to the fixed base, and the pair of drive beams bend and vibrate in opposite phases, whereby the pair of first elastic support members. Rotational vibration occurs around the axis of the mirror, the mirror portion rotates and vibrates in the first direction integrally with the inner frame member, and the pair of vibrating beams bend and vibrate in the same phase. Torsional deformation occurs in the elastic support member, the movable frame rotates and vibrates, and the mirror part rotates and vibrates in the second direction integrally with the inner frame member.

さらに、本発明の光偏向器は、内部枠部材とミラー部を接続する複数の連結部材は、ミラー部の中心に対して放射状に配置され、且つ、一対の弾性支持部材と内部枠部材の接続点の延長線上には連結部材が配置されないことを特徴とする。そして、好ましくは、内部枠部材とミラー部は6個以上の連結部材で接続されることを特徴とする。   Furthermore, in the optical deflector of the present invention, the plurality of connecting members that connect the inner frame member and the mirror portion are arranged radially with respect to the center of the mirror portion, and the pair of elastic support members and the inner frame member are connected. The connecting member is not disposed on the extended line of the points. Preferably, the inner frame member and the mirror portion are connected by six or more connecting members.

さらに、本発明の光偏向器は、ミラー部の重心が、弾性支持部材の中心軸に対して、駆動梁と固定ベースとの接続部側に近接する方向にオフセットされていることを特徴とする。   Furthermore, the optical deflector of the present invention is characterized in that the center of gravity of the mirror portion is offset in a direction close to the connecting portion side of the drive beam and the fixed base with respect to the central axis of the elastic support member. .

また、本発明の光走査装置は、光源と、光源からの光ビームを偏向させる上記光偏向器と、偏向された光ビームを被走査面にスポット状に結像する結像光学系とを備えることを特徴とする。   The optical scanning device of the present invention includes a light source, the optical deflector that deflects the light beam from the light source, and an imaging optical system that forms an image of the deflected light beam in a spot shape on the surface to be scanned. It is characterized by that.

また、本発明の画像形成装置は、上記光走査装置と、光ビームの走査により潜像を形成する感光体と、潜像をトナーで顕像化する現像手段と、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。   The image forming apparatus of the present invention also includes the optical scanning device, a photosensitive member that forms a latent image by scanning a light beam, a developing unit that visualizes the latent image with toner, and the toner image is transferred to a recording sheet. And transfer means.

また、本発明の画像投影装置は、光源と、前記光源からの光ビームを画像信号に応じて変調する変調器と、前記光ビームを略平行光とするコリメート光学系と、前記略平行光とされた光ビームを偏向して投影面に投射する上記光偏向器とを有することを特徴とする。   The image projection apparatus of the present invention includes a light source, a modulator that modulates a light beam from the light source according to an image signal, a collimating optical system that makes the light beam substantially parallel light, and the substantially parallel light. And the above-described optical deflector for deflecting the projected light beam and projecting it on the projection surface.

本発明の光偏向器によれば、駆動梁は、ミラー部と該ミラー部を揺動可能に支持する一対の弾性支持部材を固定ベースに対して片持ち支持し、更にミラー部を囲う内部枠部材を設け、該内部枠部材とミラー部を複数の連結部材で接続することで、小型で、効率よくミラー部を回転させ、大きな回転振幅を得ることができ、更に、動的変形が低減できる。また、一対の弾性支持部材と内部枠部材の接続点の延長線上には連結部材を配置しないようにすることで、ミラー部から弾性支持部材への熱抵抗を大きくでき、光照射によるミラー部の温度上昇による共振周波数の変動の低減が可能になる。
また、弾性支持部材と駆動梁の接続部分に窪みが形成されているので、当該接続部分の光反射面と垂直な方向の厚さを部分的に薄くすることができる。
According to the optical deflector of the present invention, the drive beam cantilever-supports the mirror portion and the pair of elastic support members that support the mirror portion so as to be swingable with respect to the fixed base, and further, the inner frame surrounding the mirror portion By providing a member and connecting the inner frame member and the mirror portion with a plurality of connecting members, it is possible to rotate the mirror portion efficiently and obtain a large rotational amplitude, and to reduce dynamic deformation. . In addition, by not arranging the connecting member on the extension line of the connection point between the pair of elastic support members and the inner frame member, the thermal resistance from the mirror part to the elastic support member can be increased, and the mirror part by light irradiation can be increased. It is possible to reduce the variation of the resonance frequency due to the temperature rise.
Further, since the depression is formed in the connection portion between the elastic support member and the drive beam, the thickness of the connection portion in the direction perpendicular to the light reflecting surface can be partially reduced.

したがって、本発明の光偏向器を用いることで、特性の良い光走査装置を提供でき、該光走査装置を光書込みユニットに用いることで、性能の良い画像形成装置を提供することができる。さらに、本発明の光偏向器を用いて、消費電力が小さく、広画角投影が可能な画像投影装置を提供することができる。
なお、本発明の光偏向器のさらなる作用効果は、後述の実施の形態の説明で明らかになる。
Therefore, by using the optical deflector of the present invention, an optical scanning device with good characteristics can be provided, and by using the optical scanning device for an optical writing unit, an image forming apparatus with good performance can be provided. Furthermore, it is possible to provide an image projection apparatus that uses the optical deflector according to the present invention and has low power consumption and capable of wide angle projection.
Note that further operational effects of the optical deflector of the present invention will become apparent from the description of embodiments described later.

本発明の実施例1の光偏向器の斜視図である。It is a perspective view of the optical deflector of Example 1 of this invention. 図1の光偏向器の平面図である。It is a top view of the optical deflector of FIG. 図1の光偏向器の駆動梁の構成を説明する図である。It is a figure explaining the structure of the drive beam of the optical deflector of FIG. 図1の光偏向器のミラー部の回転振幅の周波数応答特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency response characteristic of the rotation amplitude of the mirror part of the optical deflector of FIG. 図1の光偏向器のミラー部の2種類の固有振動モード形状を示す図である。It is a figure which shows two types of natural vibration mode shapes of the mirror part of the optical deflector of FIG. 内部枠部材と連結部材によるミラー支持形状の具体例を示す図である。It is a figure which shows the specific example of the mirror support shape by an internal frame member and a connection member. 4点支持における動的変形量の計算例を示す図である。It is a figure which shows the example of calculation of the amount of dynamic deformation in 4 point | piece support. 4点支持、6点支持、8点支持における動的変形量を比較した図である。It is the figure which compared the amount of dynamic deformation in 4 point support, 6 point support, and 8 point support. 温度による共振周波数の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the resonant frequency by temperature. 従来例における熱伝達経路を説明する図である。It is a figure explaining the heat transfer path | route in a prior art example. 本発明の実施例1における熱伝達経路を説明する図である。It is a figure explaining the heat transfer path | route in Example 1 of this invention. 本発明の実施例2の光偏向器の斜視図である。It is a perspective view of the optical deflector of Example 2 of this invention. 図12の光偏向器の平面図である。It is a top view of the optical deflector of FIG. 図12の光偏向器のミラー部の回転振幅の周波数応答特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency response characteristic of the rotation amplitude of the mirror part of the optical deflector of FIG. 図12の光偏向器のミラー部の2種類の固有振動モード形状を示す図である。It is a figure which shows two types of natural vibration mode shapes of the mirror part of the optical deflector of FIG. 図12の光偏向器の駆動梁の撓み変形とミラー部の回転の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship between the bending deformation of the drive beam of the optical deflector of FIG. 12, and rotation of a mirror part. 本発明の実施例3の光偏向器の斜視図である。It is a perspective view of the optical deflector of Example 3 of this invention. 図17の光偏向器の平面図である。It is a top view of the optical deflector of FIG. 本発明の実施例4の光偏向器の斜視図である。It is a perspective view of the optical deflector of Example 4 of this invention. 本発明の実施例5の光偏向器の斜視図である。It is a perspective view of the optical deflector of Example 5 of this invention. 本発明の光偏向器を用いた光走査装置の一例の全体構成図である。It is a whole block diagram of an example of the optical scanning device using the optical deflector of this invention. 図21の光装置の光偏向器と駆動手段の接続を示す図である。It is a figure which shows the connection of the optical deflector and drive means of the optical apparatus of FIG. 図21の光走査装置を光書込みユニットとして実装した画像形成装置の一例の全体構成図である。It is a whole block diagram of an example of the image forming apparatus which mounted the optical scanning device of FIG. 21 as an optical writing unit. 本発明の光偏向器を用いた画像形成装置の一例の全体斜視図である。1 is an overall perspective view of an example of an image forming apparatus using an optical deflector of the present invention. 図24の画像投影装置を駆動系も含めて示した概略構成図である。FIG. 25 is a schematic configuration diagram illustrating the image projection apparatus of FIG. 24 including a drive system.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1に、本発明の光偏向器の実施例1の全体斜視図、図2に平面図を示す。図1,図2において、10は光を反射させる反射面を有するミラー部であり、このミラー部10の両端には、内部枠部材20を介して、ミラー部10を揺動可能に支持する一対の弾性支持部材としてのトーションバースプリング30a,30bが接続されている。内部枠部材20はミラー部10を囲むように設けられて、複数の連結部材22によってミラー部10と接続され、この内部枠部材20の両側に一対のトーションバースプリング30a,30bが接続される。
内部枠部材20とミラー部10を接続する複数の連結部材22は、ミラー部10の中心に対して放射状に配置される。但し、本実施例では、一対のトーションバースプリング30a,30bと内部枠部材20の接続点の延長線上には、連結部材22が配置されないようにする。これにより、後述するように、ミラー部10の動的変形が軽減されると同時に、ミラー部の温度上昇による共振周波数の変動を低減することが可能になる。なお、共振周波数の変動を考慮する必要がない場合には、接続点の延長線上に連結部材を配置してもよい。
トーションバースプリング30a,30bの内部枠部材20と反対側の端部には、それぞれトーションバースプリング300a,30bの長手方向と略直交する向きを長手方向とする梁状部材41a,41bが接続されている。そして、この梁状部材41a,41bの他端は固定ベース50に接続されている。
FIG. 1 is an overall perspective view of a first embodiment of an optical deflector according to the present invention, and FIG. 2 is a plan view thereof. 1 and 2, reference numeral 10 denotes a mirror part having a reflecting surface for reflecting light. A pair of mirror parts 10 are supported on both ends of the mirror part 10 via an internal frame member 20 so as to be swingable. Torsion bar springs 30a and 30b are connected as elastic support members. The inner frame member 20 is provided so as to surround the mirror portion 10 and is connected to the mirror portion 10 by a plurality of connecting members 22, and a pair of torsion bar springs 30 a and 30 b are connected to both sides of the inner frame member 20.
The plurality of connecting members 22 that connect the inner frame member 20 and the mirror unit 10 are arranged radially with respect to the center of the mirror unit 10. However, in this embodiment, the connecting member 22 is not arranged on the extended line of the connection point between the pair of torsion bar springs 30a and 30b and the inner frame member 20. As a result, as will be described later, the dynamic deformation of the mirror portion 10 is reduced, and at the same time, the fluctuation of the resonance frequency due to the temperature rise of the mirror portion can be reduced. In addition, when it is not necessary to consider the fluctuation | variation of a resonant frequency, you may arrange | position a connection member on the extension line of a connection point.
Beam-like members 41a and 41b whose longitudinal direction is substantially perpendicular to the longitudinal direction of the torsion bar springs 300a and 30b are connected to the ends of the torsion bar springs 30a and 30b opposite to the inner frame member 20, respectively. Yes. The other ends of the beam members 41 a and 41 b are connected to the fixed base 50.

一対の梁状部材41a,41bは、固定部材50から同一方向に突出し、トーションバースプリング30a,30bの片側にのみ配置されており、この梁状部材41a,41bでミラー部10と内部枠部材20とトーションバースプリング30a,30bとを固定ベース50に対して片持ち支持した構成となっている。この梁状部材41a,41bの片面に、それぞれ圧電材料42a,42bが積層され、梁状部材41aあるいは41bと圧電材料42aあるいは42bとで、平板短柵状のユニモルフ構造の駆動梁40a,40bを形成している。   The pair of beam-like members 41a and 41b protrude in the same direction from the fixed member 50, and are disposed only on one side of the torsion bar springs 30a and 30b. The mirror-like member 10 and the inner frame member 20 are supported by the beam-like members 41a and 41b. The torsion bar springs 30 a and 30 b are cantilevered with respect to the fixed base 50. Piezoelectric materials 42a and 42b are laminated on one side of the beam-like members 41a and 41b, respectively, and the driving beams 40a and 40b having a unimorph structure having a plate-like short rail shape are formed by the beam-like members 41a or 41b and the piezoelectric material 42a or 42b. Forming.

例えば、MEMS(micro electro mechanical systems)プロセスによって加工することで、ミラー部10、内部枠部材20、連結部材22、トーションバースプリング30a,30b、駆動梁40a,40bを一体で形成する。ミラー部10は、シリコン基板の表面にアルミニウムや金などの金属の薄膜を形成することによって反射面を形成する。   For example, the mirror part 10, the inner frame member 20, the connecting member 22, the torsion bar springs 30a and 30b, and the driving beams 40a and 40b are integrally formed by processing by a MEMS (micro electro mechanical systems) process. The mirror unit 10 forms a reflective surface by forming a thin film of metal such as aluminum or gold on the surface of a silicon substrate.

ここで、図3により駆動梁の詳細な構成を説明する。図3は、駆動梁40aとその近傍の固定ベース50を拡大して示した模式図で、(a)は絶縁層で覆う前の平面図、(b)は絶縁層で覆った後の平面図、(c)は(b)のA−A’線部分の断面図である。なお、駆動梁40bも同様の構成であるので、図示は省略する。   Here, the detailed structure of the drive beam will be described with reference to FIG. 3A and 3B are enlarged schematic views showing the driving beam 40a and the fixed base 50 in the vicinity thereof. FIG. 3A is a plan view before being covered with the insulating layer, and FIG. 3B is a plan view after being covered with the insulating layer. (C) is sectional drawing of the AA 'line | wire part of (b). Since the drive beam 40b has the same configuration, the illustration is omitted.

図3に示すように、駆動梁40aは、固定ベース50から突出して形成された梁状部材41aの上に、接着層43a、下部電極45a、圧電材料(圧電部材)42a、上部電極44a、絶縁層46aの順でスパッタにより成膜し積層して構成され、ランド部47a,48aなどの必要な部分だけが残るようにエッチング加工されている。接着層43aの材料はチタン(Ti)、上部電極44a、下部電極45aは白金(Pt)、圧電材料42aはチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などが使用される。   As shown in FIG. 3, the drive beam 40a is formed on the beam-like member 41a formed so as to protrude from the fixed base 50, with an adhesive layer 43a, a lower electrode 45a, a piezoelectric material (piezoelectric member) 42a, an upper electrode 44a, an insulating member. The layers 46a are formed by sputtering and stacked in order, and are etched so that only necessary portions such as the land portions 47a and 48a remain. The material of the adhesive layer 43a is titanium (Ti), the upper electrode 44a and the lower electrode 45a are platinum (Pt), and the piezoelectric material 42a is lead zirconate titanate (PZT).

ランド部47a,48aから配線を引き出し、上部電極44aと下部電極45aの間に電圧を印加すると、圧電材料42aは、その電歪特性により、梁状部材41a表面の面内方向に伸縮することで、駆動梁40a全体が反って、曲げ変形する。駆動梁40bについても、圧電部材42aと同相の電圧を印加することで、駆動梁40b全体が、駆動梁40aと同一方向に曲げ変形する。駆動梁40a,40bの圧電部材42a,42bに印加する電圧の波形は、パルス波や正弦波などのいずれでもよい。   When wiring is drawn from the land portions 47a and 48a and a voltage is applied between the upper electrode 44a and the lower electrode 45a, the piezoelectric material 42a expands and contracts in the in-plane direction on the surface of the beam-like member 41a due to its electrostrictive characteristics. The entire drive beam 40a warps and deforms. The drive beam 40b is also bent and deformed in the same direction as the drive beam 40a by applying a voltage in phase with the piezoelectric member 42a. The waveform of the voltage applied to the piezoelectric members 42a and 42b of the drive beams 40a and 40b may be any of a pulse wave and a sine wave.

図1、図2に戻り、トーションバースプリング30a,30bと駆動梁40a,40bの長手方向が略直交して配置されて接続されていることにより、駆動梁40a,40bの曲げ振動による該駆動梁40a,40bの先端の上下振動がトーションバースプリング30a,30bの捻り中心軸に対して垂直に働くため、駆動梁40a,40bの曲げ振動がトーションバースプリング30a,30bの回転振動(捻り振動)に効率よく変換され、ミラー部10が内部枠部材20と一体的に大きく回転振動する。また、駆動梁40a,40bはトーションバースプリング30a,30bと内部枠部材20とミラー部10を片持ちした構成となっているため、駆動梁40a,40bの先端は自由に振動することができ、ミラー部10はより大きな角度振動を得ることができる。さらに、梁状部材41a,41bは、トーションバースプリング30a,30bの片側にのみ配置されているため、小型化が可能である。内部枠部材20と連結部材22の働きについては後述する。   1 and 2, the torsion bar springs 30a and 30b and the driving beams 40a and 40b are arranged so that the longitudinal directions thereof are arranged substantially orthogonal to each other, thereby connecting the driving beams due to the bending vibration of the driving beams 40a and 40b. Since the vertical vibrations at the tips of 40a and 40b act perpendicularly to the torsional central axes of the torsion bar springs 30a and 30b, the bending vibrations of the drive beams 40a and 40b become rotational vibrations (torsional vibrations) of the torsion bar springs 30a and 30b. The mirror portion 10 is largely rotated and vibrated integrally with the inner frame member 20. In addition, since the driving beams 40a and 40b have a configuration in which the torsion bar springs 30a and 30b, the inner frame member 20 and the mirror portion 10 are cantilevered, the tips of the driving beams 40a and 40b can freely vibrate, The mirror unit 10 can obtain a larger angular vibration. Furthermore, since the beam-like members 41a and 41b are disposed only on one side of the torsion bar springs 30a and 30b, the beam can be reduced in size. Functions of the inner frame member 20 and the connecting member 22 will be described later.

図4に、本実施例の光偏向器における駆動梁40a,40bの圧電部材42a,42bへの印加電圧に対するミラー部10の回転角度の振幅の周波数応答特性を示す。図4において、イとロはそれぞれ共振点であるが、イとロとでは、ミラー部10はそれぞれ異なる固有振動モード形状を示す。ここで、イの共振点での固有振動モード形状をモード1、ロの共振点での固有振動モード形状をモード2と称す。   FIG. 4 shows frequency response characteristics of the amplitude of the rotation angle of the mirror unit 10 with respect to the applied voltage to the piezoelectric members 42a and 42b of the driving beams 40a and 40b in the optical deflector of the present embodiment. In FIG. 4, a and b are resonance points, but the mirror unit 10 shows different natural vibration mode shapes in a and b. Here, the natural vibration mode shape at the resonance point a is referred to as mode 1, and the natural vibration mode shape at the resonance point b is referred to as mode 2.

図5は、図4の周波数応答特性中の共振点イ、ロにおけるミラー部10の固有振動モード形状(モード1、モード2)を示したものである。図5(a)に示すように、モード1では、トーションバースプリング30a,30bの曲げ変形が発生し、ミラー部10全体が図中Z方向に変動する。一方、モード2では、図5(b)に示すように、トーションバースプリング30a,30bの曲げ変形がほとんどなく、トーションバースプリング30a,30bが大きく捩じれて、ミラー部10はミラー中心近傍で大きく回転する。光偏向器では、ミラー部全体のZ方向の変動を阻止し、ミラー部10の中心近傍で回転させる必要があるため、モード2の固有振動モードでの周波数を使用すればよいことが分かる。   FIG. 5 shows the natural vibration mode shapes (mode 1 and mode 2) of the mirror unit 10 at the resonance points a and b in the frequency response characteristics of FIG. As shown in FIG. 5A, in mode 1, bending deformation of the torsion bar springs 30a and 30b occurs, and the entire mirror portion 10 changes in the Z direction in the figure. On the other hand, in mode 2, as shown in FIG. 5 (b), the torsion bar springs 30a and 30b are hardly bent, and the torsion bar springs 30a and 30b are largely twisted, so that the mirror portion 10 rotates largely in the vicinity of the mirror center. To do. In the optical deflector, it is necessary to use the frequency in the natural vibration mode of mode 2 because it is necessary to prevent fluctuation in the Z direction of the entire mirror unit and rotate it near the center of the mirror unit 10.

モード2の固有周波数で、駆動梁40a,40bの圧電部材42a,42bへ印加電圧を与えることによって、ミラー部10は大きな角度振幅を得ることができ、かつ、ミラー部10全体のZ方向の変動を阻止することができる。具体的には、内部枠部材を含むミラー部形状(質量)と共振周波数から、トーションバースプリング30a,30bの形状を決定し、駆動梁40a,40bの一次の曲げ変形のモードの固有周波数が、トーションバースプリング30a,30bの一次の捻り変形のモードの固有周波数に略一致するように設定する。こうすることで、ミラー部10は大きな角度振幅で振動し、かつ、Z方向の変動の発生が阻止される。   By applying an applied voltage to the piezoelectric members 42a and 42b of the drive beams 40a and 40b at the natural frequency of mode 2, the mirror unit 10 can obtain a large angular amplitude, and the entire mirror unit 10 varies in the Z direction. Can be prevented. Specifically, the shape of the torsion bar springs 30a, 30b is determined from the mirror part shape (mass) including the inner frame member and the resonance frequency, and the natural frequency of the primary bending deformation mode of the drive beams 40a, 40b is The torsion bar springs 30a and 30b are set so as to substantially match the natural frequency of the primary torsional deformation mode. By doing so, the mirror unit 10 vibrates with a large angular amplitude, and the occurrence of fluctuations in the Z direction is prevented.

なお、先に述べたように、駆動梁40a,40bの圧電部材42a,42bへの印加電圧の波形は、パルス波形でも、正弦波などの波状のいずれでもよく、その周波数がモード1の固有周波数近傍であればよい。   As described above, the waveform of the voltage applied to the piezoelectric members 42a and 42b of the drive beams 40a and 40b may be either a pulse waveform or a wave shape such as a sine wave, and its frequency is the natural frequency of mode 1. It may be in the vicinity.

次に、内部枠部材20と連結部材22の作用・効果について詳述する。
初めに、ミラー部10の動的変形の軽減について具体的に説明する。ミラー部10は、共振周波数で大きく振動させると動的変形が発生するが、図1に示すように、ミラー部10を囲む内部枠部材20を設け、ミラー部10を内部枠部材20にミラー部10の中心に対して放射状に配置した複数の連結部材22で接続し支持することにより、該ミラー部10の動的変形を軽減することができる。
Next, functions and effects of the inner frame member 20 and the connecting member 22 will be described in detail.
First, reduction of dynamic deformation of the mirror unit 10 will be specifically described. When the mirror unit 10 is vibrated greatly at the resonance frequency, dynamic deformation occurs. However, as shown in FIG. By connecting and supporting with a plurality of connecting members 22 arranged radially with respect to the center of 10, dynamic deformation of the mirror portion 10 can be reduced.

図6は、内部枠部材20と連結部材22によるミラー部10の支持形状の具体例を示した図で、(1)は4点支持、(2)は6点支持、(3)は8点支持の具体例を示したものである。また、図7では、図6(1)の4点支持とした場合の動的変形量の具体的計算例、図8は同様に6点支持、8点支持の動的変形量を計算して、4点支持の場合と比較した図である。なお、各支持形状におけるトーションバースプリング幅と共振周波数を表1に示す。   FIG. 6 is a diagram showing a specific example of the support shape of the mirror portion 10 by the inner frame member 20 and the connecting member 22, wherein (1) is a four-point support, (2) is a six-point support, and (3) is eight points. A specific example of support is shown. 7 shows a specific calculation example of the amount of dynamic deformation when the four-point support shown in FIG. 6 (1) is used, and FIG. 8 similarly calculates the amount of dynamic deformation of the six-point support and the eight-point support. It is the figure compared with the case of 4 point | piece support. Table 1 shows the torsion bar spring width and resonance frequency in each support shape.

図8より、図6(2)の6点支持構造における動的変形量が最も小さいことがわかる。図1の構成は、この図6(2)の6点支持形状に基づいている。勿論、ミラー部10の動的変形が軽減できれば、必ずしも6点支持とする必要はなく、4点支持や8点支持、その他の支持形状とすることでもよい。   FIG. 8 shows that the amount of dynamic deformation in the six-point support structure of FIG. The configuration of FIG. 1 is based on the six-point support shape of FIG. Of course, as long as the dynamic deformation of the mirror part 10 can be reduced, it is not always necessary to provide 6-point support, and 4-point support, 8-point support, or other support shapes may be used.

次に、ミラー部10の温度上昇による共振周波数の変動の低減について詳述する。レーザ光などの光源から出射した光はミラー部10の反射面に入射し、偏向される。この時、入射した光の約80〜90%は偏向されるが、残りの約10〜20%は熱に変換される。この熱によってミラー部10の温度が上昇し、これがトーションバースプリング30a,30bに伝達され、トーションバースプリング30a,30bの温度上昇により、共振周波数が低下する。これは、偏向ミラー系の共振周波数は、概略ミラーの慣性モーメントとトーションバースプリングのバネ定数によって決まるが、温度上昇によってトーションバースプリングのバネ定数が小さくなるためと考えられる。図9に温度変化による共振周波数変化の実測結果の一例を示す。図9から、共振周波数は、1℃につき略0.046〜0.067(Hz)低下することがわかる。   Next, the reduction of the fluctuation of the resonance frequency due to the temperature rise of the mirror unit 10 will be described in detail. Light emitted from a light source such as laser light enters the reflecting surface of the mirror unit 10 and is deflected. At this time, about 80 to 90% of the incident light is deflected, while the remaining about 10 to 20% is converted into heat. Due to this heat, the temperature of the mirror portion 10 rises and is transmitted to the torsion bar springs 30a and 30b, and the resonance frequency is lowered due to the temperature rise of the torsion bar springs 30a and 30b. This is presumably because the resonance frequency of the deflecting mirror system is roughly determined by the moment of inertia of the mirror and the spring constant of the torsion bar spring, but the spring constant of the torsion bar spring decreases as the temperature rises. FIG. 9 shows an example of the actual measurement result of the resonance frequency change due to the temperature change. From FIG. 9, it can be seen that the resonance frequency decreases by about 0.046 to 0.067 (Hz) per 1 ° C.

図1に示すように、ミラー部10と内部枠部材20を接続する複数個の連結部材22について、一対のトーションバースプリング30a,30bと内部枠部材20の接続点の延長線上には、該連結部材22を設けないようにすることで、ミラー部10の動的変形を軽減すると同時に、該ミラー部10の温度上昇による共振周波数の変動(低下)を低減することが可能になる。これは、例えば特許文献4に示されている図6の構成と比較すれば明らかである。   As shown in FIG. 1, for a plurality of connecting members 22 that connect the mirror portion 10 and the inner frame member 20, the connecting members 22 are connected to an extension line of a connection point between the pair of torsion bar springs 30 a and 30 b and the inner frame member 20. By not providing the member 22, it is possible to reduce the dynamic deformation of the mirror unit 10 and at the same time reduce the variation (decrease) in the resonance frequency due to the temperature rise of the mirror unit 10. This is apparent when compared with the configuration of FIG. 6 shown in Patent Document 4, for example.

便宜上、レーザ光照射による集中熱源Qが、ミラー部中心に作用する等価回路モデルを考える。ミラー部中心から、内部枠部材とトーションバースプリングとの接続点に至る距離(熱伝達経路距離)Li、熱伝導率K、断面積Aとすると、熱抵抗Rは、
R=Li/A・K (1)
で与えられる。
また、ミラー中心から内部枠部材とトーションバースプリングとの接続点に至る距離Liでの温度低下ΔTは、断面積Aが等しいとすると、
ΔT=R・Q=Q・Li/A・K (2)
で与えられる。
いま、特許文献4の図6の構成の場合、図10に示すように、ミラー中心P1から内部枠部材20とトーションバースプリング30bとの接続点P2に至る距離は、トーションバースプリング30bと一直線上の連結部材22を経由するL1となる。したがって、温度低下ΔT1は、
ΔT1=Q・L1/A・K (3)
で与えられる。
For convenience, consider an equivalent circuit model in which the concentrated heat source Q by laser light irradiation acts on the center of the mirror section. When the distance from the center of the mirror portion to the connection point between the inner frame member and the torsion bar spring (heat transfer path distance) Li, thermal conductivity K, and cross-sectional area A, the thermal resistance R is
R = Li / AK (1)
Given in.
Further, if the temperature drop ΔT at the distance Li from the mirror center to the connection point between the inner frame member and the torsion bar spring is equal to the cross-sectional area A,
ΔT = R · Q = Q · Li / A · K (2)
Given in.
In the case of the configuration of FIG. 6 of Patent Document 4, as shown in FIG. 10, the distance from the mirror center P1 to the connection point P2 between the inner frame member 20 and the torsion bar spring 30b is in line with the torsion bar spring 30b. L1 via the connecting member 22. Therefore, the temperature drop ΔT1 is
ΔT1 = Q · L1 / A · K (3)
Given in.

一方、本実施例の図1の構成の場合、図11に示すように、ミラー中心P1から内部枠部材20とトーションバースプリング30bとの接続点P2に至る距離は、トーションバースプリング30bの延長線上にない連結部材22を迂回するためL2となる。図1の場合、接続点P2の両側に概略対称に二つの連結部材22が配置されており、ミラー中心P1から接続点P2に至る距離L2は二組存在し、熱抵抗は1/2になる。したがって、温度低下ΔT2は、
ΔT2=Q・(L2/2)/A・K (4)
で与えられる。
On the other hand, in the case of the configuration of FIG. 1 of the present embodiment, as shown in FIG. 11, the distance from the mirror center P1 to the connection point P2 between the inner frame member 20 and the torsion bar spring 30b is on the extension line of the torsion bar spring 30b. L2 is used to bypass the connecting member 22 that is not present. In the case of FIG. 1, two connecting members 22 are arranged approximately symmetrically on both sides of the connection point P2, there are two distances L2 from the mirror center P1 to the connection point P2, and the thermal resistance is halved. . Therefore, the temperature drop ΔT2 is
ΔT2 = Q · (L2 / 2) / A · K (4)
Given in.

ここで、L2/2>L1とすると、ΔT1<ΔT2となる。すなわち、図1の構成とすることで、熱伝達経路は長くなり、その結果、トーションバースプリングの温度上昇が抑えられ(温度低下ΔTが大きくなる)、共振周波数の変動が低減できる。勿論、トーションバースプリング30a,30bと内部枠部材20の接続点P2の延長線上に連結部材が配置されないようにして、熱伝達経路を長くできれば、必ずしも図1の構成とする必要はない。   Here, if L2 / 2> L1, ΔT1 <ΔT2. That is, by adopting the configuration of FIG. 1, the heat transfer path becomes long, and as a result, the temperature rise of the torsion bar spring is suppressed (temperature drop ΔT increases), and the fluctuation of the resonance frequency can be reduced. Of course, if the connecting member is not arranged on the extension line of the connection point P2 between the torsion bar springs 30a and 30b and the inner frame member 20, and the heat transfer path can be lengthened, the configuration of FIG. 1 is not necessarily required.

図12に本発明の光偏向器の実施例2の全体斜視図、図13に平面図を示す。図12、図13において、図1及び図2と同一部分には同一の符号が付与されている。   FIG. 12 is an overall perspective view of a second embodiment of the optical deflector of the present invention, and FIG. 13 is a plan view. 12 and 13, the same parts as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals.

図1、図2の実施例1では、ミラー部10の中心(重心)は、トーションバースプリング30a,30bの中心軸に対して一致するようにしたが、本実施例では、図13に示すように、ミラー部10の中心(重心)が、トーションバースプリング30a,30bに対して、駆動軸40a,40bと固定ベース50との接続部に近接する方向に距離ΔSだけオフセットされている。こうすることで、先の実施例1の場合と比較して、駆動梁40a,40bのたわみ変形を利用してミラー部10を内部枠部材20と一体に、さらに大きく回転振動させることができる。その他の構成、作用、効果は実施例1と同様である。   1 and 2, the center (center of gravity) of the mirror portion 10 is made to coincide with the central axis of the torsion bar springs 30a and 30b. However, in this embodiment, as shown in FIG. Further, the center (center of gravity) of the mirror portion 10 is offset by a distance ΔS with respect to the torsion bar springs 30a and 30b in the direction approaching the connecting portion between the drive shafts 40a and 40b and the fixed base 50. By doing so, compared to the case of the first embodiment, the mirror portion 10 can be further rotated and vibrated integrally with the inner frame member 20 by utilizing the flexural deformation of the drive beams 40a and 40b. Other configurations, operations, and effects are the same as those in the first embodiment.

図14に、本実施例のミラー部10の重心をオフセットさせた構成の場合における、駆動梁40a,40bの圧電部材42a,42bへの印加電圧に対するミラー部10の回転角度振幅の周波数応答特性を示す。また、図15に、図14の周波数応答特性中の共振点イ、ロにおけるミラー部10の固有振動モード形状(モード1,モード2)を示す。   FIG. 14 shows the frequency response characteristics of the rotation angle amplitude of the mirror unit 10 with respect to the voltage applied to the piezoelectric members 42a and 42b of the drive beams 40a and 40b in the case where the center of gravity of the mirror unit 10 of this embodiment is offset. Show. FIG. 15 shows the natural vibration mode shapes (mode 1 and mode 2) of the mirror unit 10 at the resonance points a and b in the frequency response characteristics of FIG.

本実施例においても、モード2の固有周波数で、駆動梁40a,40bの圧電部材42a,42bへ印加電圧を与えることによって、ミラー部10は大きな角度振幅を得ることができ、かつ、ミラー部10全体のZ方向の変動を阻止することができる。しかも、先の実施例1の場合と比較して、ミラー部10は、より大きな角度振幅を得ることができる。   Also in the present embodiment, by applying an applied voltage to the piezoelectric members 42a and 42b of the drive beams 40a and 40b at the natural frequency of mode 2, the mirror unit 10 can obtain a large angular amplitude, and the mirror unit 10 The entire variation in the Z direction can be prevented. Moreover, compared to the case of the first embodiment, the mirror unit 10 can obtain a larger angular amplitude.

図16は、本実施例のモード2の場合の駆動梁の撓み変形とミラー部の回転の関係を示したものである。なお、内部枠部材20は省略してある。トーションバースプリング30a,30bが捩じれるモード2において、トーションバースプリング30a,30bの接続部aとミラー部10の回転中心bとの距離ΔS、ミラー部10の回転角度をθとしたとき、駆動梁40a,40bのミラー反射面と垂直方向(Z方向)の撓み変形分cがΔS・sinθとなるように設定することで、ミラー部10が回転する際に、ミラー部10の回転中心bがZ方向に変動しない構成とすることができる。また、ミラー部10の回転中心がミラー部10の重心Oに近くなるため、慣性モーメントが小さくなり、固有周波数を高くすることが可能となる。すなわち、より高速駆動が可能になる。   FIG. 16 shows the relationship between the bending deformation of the driving beam and the rotation of the mirror part in the mode 2 of this embodiment. The inner frame member 20 is omitted. In mode 2 in which the torsion bar springs 30a and 30b are twisted, when the distance ΔS between the connection part a of the torsion bar springs 30a and 30b and the rotation center b of the mirror part 10 and the rotation angle of the mirror part 10 are θ, the drive beam By setting the bending deformation c in the direction perpendicular to the mirror reflecting surfaces 40a and 40b (Z direction) to be ΔS · sin θ, the rotation center b of the mirror unit 10 is Z when the mirror unit 10 rotates. It can be set as the structure which does not change to a direction. Further, since the center of rotation of the mirror unit 10 is close to the center of gravity O of the mirror unit 10, the moment of inertia is reduced and the natural frequency can be increased. That is, higher speed driving is possible.

なお、ミラー部10の重心とは、トーションバースプリング30a,30bで支持されている内部枠部材20を含む回転部全体の重心であり、ミラー裏面のリブ構造なども含めて重心をオフセットしてもよい。   The center of gravity of the mirror unit 10 is the center of gravity of the entire rotating unit including the inner frame member 20 supported by the torsion bar springs 30a and 30b, and the center of gravity including the rib structure on the back surface of the mirror is offset. Good.

図17に本発明の光偏向器の実施例3の全体斜視図、図18に平面図を示す。図17、図18において、図1、図2と同一部分には同一の符号が付されている。全体の構成は実施例1と基本的に同じであるが、本実施例では、図18に示すように、駆動梁40a,40bとトーションバースプリング30a,30bの接続部分に切り込み60a,60bが形成されている。詳しくは、駆動梁40a,40bのミラー部10側の端部が、トーションバースプリング30a,30bのミラー部10と反対側の端部よりもミラー部10側に近接するように、駆動梁40a,40bとトーションバースプリング30a,30bの接続部分に切り込み60a,60bが形成されている。   FIG. 17 is an overall perspective view of Embodiment 3 of the optical deflector of the present invention, and FIG. 18 is a plan view. 17 and 18, the same parts as those in FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals. Although the overall configuration is basically the same as that of the first embodiment, in this embodiment, as shown in FIG. 18, notches 60a and 60b are formed at the connecting portions of the drive beams 40a and 40b and the torsion bar springs 30a and 30b. Has been. Specifically, the driving beams 40a, 40b are arranged so that the end portions on the mirror portion 10 side of the driving beams 40a, 40b are closer to the mirror portion 10 side than the end portions of the torsion bar springs 30a, 30b opposite to the mirror portion 10. Cuts 60a and 60b are formed in the connecting portion between 40b and the torsion bar springs 30a and 30b.

トーションバースプリング30a,20bはバネの特性として非線形性が大きいが、長さが短くなるほど非線形が大きくなり設計が難しくなる。また、トーションバースプリング30a,30bが長いほど、許容変位角度が大きくなる。   The torsion bar springs 30a and 20b have a large non-linearity as a spring characteristic. However, as the length becomes shorter, the non-linearity increases and the design becomes difficult. The longer the torsion bar springs 30a and 30b are, the larger the allowable displacement angle is.

本実施例は、トーションバースプリング30a,30bの長さを所望範囲に維持しつつ、スペースが空いた部分に駆動梁40a,40bが配置されることにより、すなわち、駆動梁30a,30bが内側にオフセットされることにより、光偏向器全体を更に小型化できる。これにより、光偏向器をMEMSプロセスで製作する場合、一枚のウエハにおけるとり数が増加するため、低コスト化も可能である。   In the present embodiment, the length of the torsion bar springs 30a and 30b is maintained within a desired range, and the drive beams 40a and 40b are arranged in the space-exempted portion, that is, the drive beams 30a and 30b are located inside. By being offset, the entire optical deflector can be further reduced in size. As a result, when the optical deflector is manufactured by the MEMS process, the number of wafers in a single wafer increases, so that the cost can be reduced.

なお、図17、図18の構成において、駆動梁40a,40bの幅が広くなると、駆動梁40a,40bが捩じれる形となり、トーションバースプリング30a,30bとの接続部から離れた部分の力が伝わらなくなってしまうことが考えられる。これを防ぐためには、駆動梁40a,40bの先端部を一部分だけ厚くすればよく、これにより全ての力を有効に使うことが可能になる。具体的には、例えば駆動梁40a,40bの梁状部材41a,41bの先端部をL字状などにすることが考えられるが、要は駆動梁40a,40bの捩じれが防止できればよく、その形状はなんでもよい。   17 and 18, when the widths of the drive beams 40a and 40b are increased, the drive beams 40a and 40b are twisted, and the force at a portion away from the connection portion with the torsion bar springs 30a and 30b is applied. It is thought that it will not be transmitted. In order to prevent this, it is only necessary to thicken the tip portions of the drive beams 40a and 40b, so that all forces can be used effectively. Specifically, for example, it is conceivable that the end portions of the beam-like members 41a and 41b of the drive beams 40a and 40b are L-shaped. However, it is only necessary to prevent the drive beams 40a and 40b from being twisted, and the shape thereof Can be anything.

ここで、本実施例においても、先の実施例2と同様に、ミラー部10の中心(重心)は、トーションバースプリング30a,30bの中心線に対して、駆動梁40a,40bと固定ベース50との接続部に近接する方向にオフセットすることでもよく、こうすることによって、ミラー部10の回転振幅をさらに増大させることができる。   Here, also in the present embodiment, as in the second embodiment, the center (center of gravity) of the mirror portion 10 is the drive beams 40a and 40b and the fixed base 50 with respect to the center line of the torsion bar springs 30a and 30b. The rotational amplitude of the mirror unit 10 can be further increased.

図19に、本発明の光偏向器の実施例4の全体斜視図を示す。これまで説明した光偏向器は、いずれも1軸方向に光を偏向するものであったが、本実施例は2軸方向に光を偏向する構成としたものである。なお、図19では、図17、図18を適用した場合を示したが図1、図2を適用した場合も同様である。   FIG. 19 shows an overall perspective view of Embodiment 4 of the optical deflector of the present invention. All of the optical deflectors described so far deflect light in a uniaxial direction, but this embodiment is configured to deflect light in a biaxial direction. FIG. 19 shows the case where FIGS. 17 and 18 are applied, but the same applies when FIGS. 1 and 2 are applied.

図19において、10は光を反射させる反射面を有するミラー部であり、このミラー部10の両端には、内部枠部材120を介して、該ミラー部10を揺動可能に支持する一対の第1の弾性支持部材としての第1のトーションバースプリング130a,130bが接続されている。内部枠部材120は、複数の連結部材122によってミラー部10に接続され、この内部枠部材120の両側に一対の第1のトーションバースプリング130a,130bが接続されている。   In FIG. 19, reference numeral 10 denotes a mirror portion having a reflecting surface for reflecting light. A pair of first mirrors 10 are supported at both ends of the mirror portion 10 via an internal frame member 120 so as to be swingable. First torsion bar springs 130a and 130b as one elastic support member are connected. The inner frame member 120 is connected to the mirror portion 10 by a plurality of connecting members 122, and a pair of first torsion bar springs 130 a and 130 b are connected to both sides of the inner frame member 120.

内部枠部材120とミラー部10を接続する複数の連結部材122は、ミラー部10の中心に対して放射状に配置される。ただし、一対の第一のトーションバースプリング130a,130bと内部枠部材120の接続点の延長線上には、連結部材122は配置されない。これは、図1、図2などと同様である。   The plurality of connecting members 122 that connect the inner frame member 120 and the mirror unit 10 are arranged radially with respect to the center of the mirror unit 10. However, the connecting member 122 is not disposed on the extension line of the connection point between the pair of first torsion bar springs 130 a and 130 b and the inner frame member 120. This is the same as FIG. 1 and FIG.

一対の第1のトーションバースプリング130a,130bの内部枠部材120と反対側の端部は、該第1のトーションバースプリング130a,130bの長手方向と略直交する向きを長手方向として一対の第1の駆動梁140a,140bが接続されている。第1の駆動梁140a,140bは、図3で説明したように、梁状部材の片面に圧電材料が積層され、平板短冊状のユニモルフ構造を形成している。この第1の駆動梁140a,140bは、中央に穴が開いている枠状の可動枠150の内側の一辺から同一方向に突出するように接続され、第1のトーションバースプリング130a,130bの片側にのみ配置され、該駆動梁140a,140bでミラー部10と内部枠部材120と第1のトーションバースプリング130a,130bを可動枠150に対して片持ち支持した構成となっている。   The ends of the pair of first torsion bar springs 130a and 130b on the side opposite to the inner frame member 120 have a pair of first torches as a longitudinal direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the first torsion bar springs 130a and 130b. Drive beams 140a and 140b are connected. As described with reference to FIG. 3, the first drive beams 140a and 140b are formed by laminating piezoelectric materials on one side of the beam-like member to form a flat strip-like unimorph structure. The first drive beams 140a and 140b are connected so as to protrude in the same direction from one side inside the frame-shaped movable frame 150 having a hole in the center, and are connected to one side of the first torsion bar springs 130a and 130b. The mirror 10, the inner frame member 120, and the first torsion bar springs 130 a and 130 b are cantilevered with respect to the movable frame 150 by the driving beams 140 a and 140 b.

さらに、可動枠150の両側には、第1のトーションバースプリング130a,130bと直交して、該可動枠150を揺動可能に支持する一対の第2の弾性支持部材としての第2のトーションバースプリング220a,220bが接続されている。第2のトーションバースプリング220a,220bの可動枠150と反対側の端部は、第2のトーションバースプリング220a,220bの長手方向と略直交する向きを長手方向として一対の第2の駆動梁230a,230bが接続されている。第2の駆動梁230a,230bも梁状部材の片面に圧電材料が積層され、平板短冊状のユニモルフ構造を形成している。この第2の駆動梁230a,230bは、固定ベース240から同一方向に突出するように接続され、第2のトーションバースプリング220a,220bの片側にのみ配置されており、該第2の駆動梁230a,230bで、可動枠150と第2のトーションバースプリング220a,220bを固定ベース240に対して片持ち支持した構成となっている。   Further, on both sides of the movable frame 150, a second torsion bar as a pair of second elastic support members that are orthogonal to the first torsion bar springs 130a and 130b and support the movable frame 150 in a swingable manner. The springs 220a and 220b are connected. The ends of the second torsion bar springs 220a and 220b opposite to the movable frame 150 have a pair of second drive beams 230a with the direction substantially perpendicular to the longitudinal direction of the second torsion bar springs 220a and 220b as the longitudinal direction. , 230b are connected. The second drive beams 230a and 230b are also laminated with a piezoelectric material on one side of the beam-like member to form a flat strip-like unimorph structure. The second drive beams 230a and 230b are connected so as to protrude in the same direction from the fixed base 240, and are disposed only on one side of the second torsion bar springs 220a and 220b. 230b, the movable frame 150 and the second torsion bar springs 220a, 220b are cantilevered with respect to the fixed base 240.

本実施例では、第1の駆動梁140a,140bで第1のトーションバースプリング130a,130bに振動を与えることで、内部枠部材120と一体にミラー部10を第1のトーションバースプリング130a,130bの軸周りに回転させ、第2の駆動梁230a,230bで第2のトーションバースプリング220a,220bに振動を与えることで、可動枠150を第2のトーションバースプリング220a,220bの軸周りに回転させ回転させる。ここで、第1のトーションバースプリング130a,130bの軸周りの第1の回転方向と第2のトーションバースプリング220a,220bの軸周りの第2の回転方向の振動モードの固有周波数を異ならせておき、それぞれの周波数で第1の駆動梁130a,130bと第2の駆動梁220a,220bを駆動することで、内部枠部材120と一体にミラー部10を2軸方向に大きく回転させることができる。   In the present embodiment, the first torsion bar springs 130a and 130b are vibrated by the first drive beams 140a and 140b, so that the mirror unit 10 is integrated with the inner frame member 120 into the first torsion bar springs 130a and 130b. The movable frame 150 is rotated around the axis of the second torsion bar springs 220a, 220b by rotating the second drive beams 230a, 230b to the second torsion bar springs 220a, 220b. And rotate. Here, the natural frequency of the vibration mode in the first rotation direction around the axis of the first torsion bar springs 130a and 130b and the second rotation direction around the axis of the second torsion bar springs 220a and 220b are made different. In addition, by driving the first drive beams 130a and 130b and the second drive beams 220a and 220b at the respective frequencies, the mirror unit 10 can be greatly rotated in two axial directions integrally with the inner frame member 120. .

図20に、本発明の光偏向器の実施例5の全体斜視図を示す。本実施例の光偏向器も2軸方向に光を偏向するものであるが、実施例4とは構成及び駆動の仕方が異なる。   FIG. 20 shows an overall perspective view of Embodiment 5 of the optical deflector of the present invention. The optical deflector of the present embodiment also deflects light in the biaxial direction, but differs in configuration and driving method from the fourth embodiment.

図20において、10は光を反射させる反射面を有するミラー部であり、このミラー部10の両側には、内部枠部材120を介して、該ミラー部10を揺動可能に支持する一対の第1の弾性支持部材としての第1のトーションバースプリング130a,130bが接続されている。内部枠部材120は、複数の連結部材122によってミラー部10に接続され、この内部枠部材120の両側に一対の第1のトーションバースプリング130a,130bが接続される。連結部材122の構成は図19と同様である。   In FIG. 20, reference numeral 10 denotes a mirror part having a reflecting surface for reflecting light. A pair of first mirrors 10 are supported on both sides of the mirror part 10 via an internal frame member 120 so as to be swingable. First torsion bar springs 130a and 130b as one elastic support member are connected. The inner frame member 120 is connected to the mirror unit 10 by a plurality of connecting members 122, and a pair of first torsion bar springs 130 a and 130 b are connected to both sides of the inner frame member 120. The configuration of the connecting member 122 is the same as that in FIG.

一対の第1のトーションバースプリング130a,130bの内部枠部材120と反対側の端部は、中央に穴が開いている枠状の可動枠150の相対する2辺の内側に接続されている。可動枠150の他の相対する2辺の外側には、第1のトーションバースプリング130a,130bに対して直交する向きを長手方向とする一対の第2のトーションバースプリング(第2の弾性支持部材)220a,220bが接続されている。この第2のトーションバースプリング220a,220bの可動枠150と反対側の端部は、該第2のトーションバースプリング220a,220bの長手方向と略直交する向きを長手方向とする駆動梁230a,230bが接続されている。駆動梁230a,230bは、固定ベース240から同一方向に突出するように接続され、第2のトーションバースプリング220a,220bの片側にのみ配置されており、該駆動梁220a,220bで、可動枠150と第2のトーションバースプリング202を固定ベース240に対して片持ち支持した構成となっている。駆動梁230a,230bは梁状部材の片面に圧電材料が積層され、平板短冊状のユニモルフ構造を形成している。   The ends of the pair of first torsion bar springs 130a, 130b opposite to the inner frame member 120 are connected to the inner sides of two opposing sides of a frame-shaped movable frame 150 having a hole in the center. A pair of second torsion bar springs (second elastic support members) whose longitudinal direction is perpendicular to the first torsion bar springs 130a and 130b are provided on the outer sides of the other two opposite sides of the movable frame 150. ) 220a and 220b are connected. The ends of the second torsion bar springs 220a and 220b opposite to the movable frame 150 are driven beams 230a and 230b whose longitudinal direction is substantially perpendicular to the longitudinal direction of the second torsion bar springs 220a and 220b. Is connected. The drive beams 230a and 230b are connected so as to protrude in the same direction from the fixed base 240, and are disposed only on one side of the second torsion bar springs 220a and 220b. The second torsion bar spring 202 is cantilevered with respect to the fixed base 240. The driving beams 230a and 230b are formed by laminating piezoelectric materials on one side of the beam-like member to form a flat strip-like unimorph structure.

本実施例では、駆動梁230a,230bで第2のトーションバースプリング220a,220bに同相の振動を与えることで、可動枠150を第2のトーションバースプリング220a,220bの軸周りに回転させる。さらに、駆動梁230a,230bで、該第2のトーションバースプリング220a,220bの両側それぞれを逆位相で振動させることで、第1のトーションバースプリング130a,130bの軸を中心とする回転動作をするようにしている。これによって、ミラー部10は、第1のトーションバースプリング130a,130bの軸周りの第1の回転方向と第2のトーションバースプリング220a,220bの軸周りの第2の回転方向に回転する。   In this embodiment, the movable frame 150 is rotated about the axis of the second torsion bar springs 220a and 220b by applying in-phase vibrations to the second torsion bar springs 220a and 220b by the drive beams 230a and 230b. Further, the drive beams 230a and 230b vibrate both sides of the second torsion bar springs 220a and 220b in opposite phases, thereby rotating around the axes of the first torsion bar springs 130a and 130b. I am doing so. As a result, the mirror unit 10 rotates in the first rotation direction around the axis of the first torsion bar springs 130a and 130b and in the second rotation direction around the axis of the second torsion bar springs 220a and 220b.

具体的に、第1の回転方向と第2の回転方向の振動モードの固有周波数を異ならせておき、それぞれの周波数成分を含んだ信号で駆動梁220a,220bを同相および逆相で駆動することで、ミラー部10を2軸方向に大きく回転させることができる。本実施例では、図19の実施例4の第1の駆動梁140a,140bが不要であり、製作が簡単で低コスト化が可能である。   Specifically, the natural frequencies of the vibration modes in the first rotation direction and the second rotation direction are made different from each other, and the drive beams 220a and 220b are driven in the same phase and in opposite phases by signals including the respective frequency components. Thus, the mirror unit 10 can be largely rotated in the biaxial direction. In the present embodiment, the first drive beams 140a and 140b of the fourth embodiment shown in FIG. 19 are unnecessary, and the manufacture is simple and the cost can be reduced.

本実施例は、実施例1乃至3の1軸方向に光を偏向する光偏向器を用いて画像形成装置の光書き込みユニットとしての光走査装置を提供するものである。   The present embodiment provides an optical scanning device as an optical writing unit of an image forming apparatus using the optical deflector that deflects light in one axial direction of the first to third embodiments.

図21に本実施例の光走査装置の全体構成図、図22に該光走査装置に用いる光偏向器と駆動手段の接続図を示す。   FIG. 21 is an overall configuration diagram of the optical scanning device of this embodiment, and FIG. 22 is a connection diagram of an optical deflector used in the optical scanning device and driving means.

図21において、レーザ素子1020からのレーザ光は、コリメータレンズ系1021を経た後、光偏向器1022により偏向される。この光偏向器1022として、実施例1〜5のいずれかの構成の光偏向器が用いられる。光偏向器1022で偏向されたレーザ光は、その後、第一レンズ1023aと第二レンズ1023b、反射ミラー1023cからなる走査光学系1023を経て感光ドラム等のビーム走査面1022に照射される。   In FIG. 21, the laser light from the laser element 1020 passes through the collimator lens system 1021 and is then deflected by the optical deflector 1022. As this optical deflector 1022, the optical deflector having any one of the configurations of the first to fifth embodiments is used. The laser beam deflected by the optical deflector 1022 is then applied to a beam scanning surface 1022 such as a photosensitive drum through a scanning optical system 1023 including a first lens 1023a, a second lens 1023b, and a reflection mirror 1023c.

図22に示すように、光偏向器1022は駆動手段1024と電気的に連結されている。この駆動手段1024が、光偏向器1022の下部電極と上部電極間に駆動電圧を印加する。これにより、光偏向器1022のミラー部が回転してレーザ光が偏向され、ビーム走査面1022上が光走査される。   As shown in FIG. 22, the optical deflector 1022 is electrically connected to the driving means 1024. The driving unit 1024 applies a driving voltage between the lower electrode and the upper electrode of the optical deflector 1022. As a result, the mirror portion of the optical deflector 1022 rotates to deflect the laser light, and the beam scanning surface 1022 is optically scanned.

このように、本発明の光偏向器を利用した光走査装置は写真印刷方式のプリンタや複写機などの画像形成装置のための光書込ユニットの構成部材として最適である。   As described above, the optical scanning device using the optical deflector according to the present invention is optimal as a constituent member of an optical writing unit for an image forming apparatus such as a photographic printing type printer or a copying machine.

本実施例は、実施例6の光走査装置を光書込みユニットの構成部材として実装した画像形成装置を提供するものである。   The present embodiment provides an image forming apparatus in which the optical scanning device according to the sixth embodiment is mounted as a constituent member of an optical writing unit.

図23に本実施例の画像形成装置の一例の全体構成図を示す。図23において、1001が光書込みユニットであり、レーザビームを被走査面に出射して画像を書き込む。1002は光書込みユニット1001による走査対象としての被走査面を提供する像担持体としての感光体ドラムである。   FIG. 23 shows an overall configuration diagram of an example of the image forming apparatus of this embodiment. In FIG. 23, reference numeral 1001 denotes an optical writing unit, which emits a laser beam to a surface to be scanned and writes an image. Reference numeral 1002 denotes a photosensitive drum as an image carrier that provides a surface to be scanned as an object to be scanned by the optical writing unit 1001.

光書込みユニット1001は、記録信号によって変調された1本又は複数本のレーザビームで感光体ドラム1002の表面(被走査面)を同ドラムの軸方向に走査する。感光体ドラム1002は矢印1003方向に回転駆動され、帯電手段1004により帯電された表面に、光書込みユニット1001により光走査されることによって、静電潜像が形成される。この静電潜像は現像手段1005でトナー像に顕像化され、このトナー像は転写手段1006で記録紙1007に転写される。転写されたトナー像は定着手段1008によって記録紙1007に定着される。感光体ドラム1002の転写手段1006対向部を通過した感光体ドラムの表面部分はクリーニング部1009で残留トナーを除去される。   The optical writing unit 1001 scans the surface (scanned surface) of the photosensitive drum 1002 in the axial direction of the photosensitive drum 1002 with one or a plurality of laser beams modulated by the recording signal. The photosensitive drum 1002 is rotationally driven in the direction of an arrow 1003, and an optical latent image is formed on the surface charged by the charging unit 1004 by optical scanning by the optical writing unit 1001. The electrostatic latent image is visualized as a toner image by the developing unit 1005, and the toner image is transferred to the recording paper 1007 by the transfer unit 1006. The transferred toner image is fixed on the recording paper 1007 by the fixing unit 1008. Residual toner is removed by the cleaning unit 1009 from the surface portion of the photosensitive drum that has passed the transfer unit 1006 facing portion of the photosensitive drum 1002.

なお、感光体ドラム1002に代えてベルト状の感光体を用いる構成も可能である。また、トナー像を記録紙以外の転写媒体に一旦転写し、この転写媒体からトナー像を記録紙に転写して定着させる構成とすることも可能である。   A configuration using a belt-like photoconductor in place of the photoconductor drum 1002 is also possible. Further, the toner image may be temporarily transferred to a transfer medium other than the recording paper, and the toner image may be transferred from the transfer medium to the recording paper and fixed.

光書込みユニット1001は記録信号によって変調された1本又は複数本のレーザビームを発するレーザ素子としての光源部1020と、レーザビームを変調する光源駆動手段1500と、これまで説明した本発明の1軸方向にレーザビームを偏向する光偏向器1002と、この光偏向器1022のミラー基板のミラー面に光源部1020からの、記録信号によって変調されたレーザビーム(光ビーム)を結像させるための結像光学系1021と、ミラー面で反射・偏向された1本又は複数本のレーザビームを感光体ドラム1002の表面(被走査面)に結像させるための手段である走査光学系1023などから構成される。光偏向器1022は、その駆動のための集積回路(駆動手段)1024とともに回路基板1025に実装された形で光書込みユニット1001に組み込まれている。   The optical writing unit 1001 includes a light source unit 1020 as a laser element that emits one or a plurality of laser beams modulated by a recording signal, a light source driving unit 1500 that modulates a laser beam, and the uniaxial of the present invention described so far. An optical deflector 1002 that deflects the laser beam in the direction, and a connection for imaging the laser beam (light beam) modulated by the recording signal from the light source unit 1020 on the mirror surface of the mirror substrate of the optical deflector 1022. An image optical system 1021 and a scanning optical system 1023 that is a means for forming an image of one or a plurality of laser beams reflected and deflected by a mirror surface on the surface (scanned surface) of the photosensitive drum 1002 Is done. The optical deflector 1022 is incorporated in the optical writing unit 1001 in a form mounted on a circuit board 1025 together with an integrated circuit (driving means) 1024 for driving the optical deflector 1022.

光偏向器1022は、従来の回転多面鏡に比べ駆動のための消費電力が小さいため、画像形成装置の省電力化に有利である。また、光偏向器1022のミラー基板の振動時の風切り音は回転多面鏡に比べ小さいため、画像形成装置の静粛性の改善に有利である。さらに、光偏向器1022は、回転多面鏡に比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済み、また、発熱量もわずかであるため、小型化が容易であり、したがって画像形成装置の小型化に有利である。   The optical deflector 1022 consumes less power for driving than the conventional rotary polygon mirror, which is advantageous for power saving of the image forming apparatus. Further, since the wind noise during vibration of the mirror substrate of the optical deflector 1022 is smaller than that of the rotary polygon mirror, it is advantageous for improving the quietness of the image forming apparatus. Furthermore, the optical deflector 1022 requires much less installation space than the rotary polygon mirror, and also has a small amount of heat generation, so that it can be easily downsized, and therefore advantageous for downsizing the image forming apparatus. is there.

なお、記録紙1007の搬送機構、感光体ドラム1002の駆動機構、現像手段1005、転写手段1006などの制御手段、光源部1020の駆動系などは、従来の画像形成装置と同様でよいため図23では省略されている。   Note that the conveyance mechanism of the recording paper 1007, the driving mechanism of the photosensitive drum 1002, the control means such as the developing means 1005 and the transfer means 1006, the driving system of the light source unit 1020, and the like may be the same as those in the conventional image forming apparatus. Is omitted.

本実施例は、実施例4、5のような2軸方向に光を偏向する光偏向器を実装した画像投影装置を提供するものである。   The present embodiment provides an image projection apparatus equipped with an optical deflector that deflects light in the biaxial direction as in the fourth and fifth embodiments.

図24に本実施例の画像投影装置の全体構成図を示す。図24において、筐体2000に赤(R)、緑(G)、青(B)の異なる3波長のレーザ光を出射するレーザ光源2001−R,2001−G,2001−Bが取り付けられ、これらレーザ光源2001−R,2001−G,2001−Bの出射端近傍には、該レーザ光源2001−R,2001−G,2001−Bからの出射光を略平行光に集光する集光レンズ2002−R,2002−,002−Bが配置されている。集光レンズ2002−R,2002−,002−Bで略平行になったR,G,Bのレーザ光は、ミラー2003やハーフミラー2004を経て、合成プリズム2005によって合成され、光偏向器2006のミラー面に入射される。光偏向器2006には、実施例7や8のような2軸方向に光を偏向する構成の光偏向器(二次元反射角度可変ミラー)が使用される。光偏向器2006のミラー面に入射した合成レーザ光は、光偏向器2006によって二次元偏向走査されて投影面に投射され、画像を投影する。   FIG. 24 shows an overall configuration diagram of the image projection apparatus of the present embodiment. In FIG. 24, laser light sources 2001-R, 2001-G, and 2001-B that emit laser beams having three different wavelengths of red (R), green (G), and blue (B) are attached to a housing 2000. In the vicinity of the emission ends of the laser light sources 2001-R, 2001-G, 2001-B, a condenser lens 2002 that condenses the emitted light from the laser light sources 2001-R, 2001-G, 2001-B into substantially parallel light. -R, 2002, 002-B are arranged. The R, G, and B laser beams that are substantially parallel by the condenser lenses 2002-R, 2002, and 002-B pass through the mirror 2003 and the half mirror 2004, and are combined by the combining prism 2005. Incident on the mirror surface. As the optical deflector 2006, an optical deflector (two-dimensional reflection angle variable mirror) configured to deflect light in two-axis directions as in the seventh and eighth embodiments is used. The combined laser light incident on the mirror surface of the optical deflector 2006 is two-dimensionally deflected and scanned by the optical deflector 2006 and projected onto the projection surface to project an image.

図25は、本実施例の画像投影装置の制御系も含めた概略構成図である。なお、図25では、3波長のレーザ光源や集光レンズは一つにまとめて示し、また、ミラー、ハーフミラー、合成プリズムは省略してある。   FIG. 25 is a schematic configuration diagram including the control system of the image projection apparatus of the present embodiment. In FIG. 25, a three-wavelength laser light source and a condensing lens are shown together, and a mirror, a half mirror, and a combining prism are omitted.

画像情報に応じて画像生成部2011で画像信号を生成し、この画像信号が変調器2012を介して光源駆動回路2013に送られると共に、スキャナ駆動回路2014に画像同期信号が送られる。スキャナ駆動回路2014は、画像同期信号に応じて駆動信号を光偏向器2006に与える。この駆動信号によって、光偏向器2006のミラー部10は、直交した2つの方向に所定角度(例えば10deg程度)の振幅で共振振動し、入射したレーザ光が二次元偏向走査される。一方、レーザ光源2001から出射されるレーザ光は、光源駆動回路2013により、光偏向器2006の二次元偏向走査のタイミングに合わせて強度変調されており、これによって、投影面2007に二次元の画像情報が投影される。強度変調はパルス幅を変調してもよいし、振幅を変調してもよい。変調器2012は画像信号をパルス幅変調あるいは振幅変調し、この変調された信号を光源駆動回路2013によりレーザ光源2001を駆動できる電流に変調してレーザ光源2001を駆動する。   The image generation unit 2011 generates an image signal according to the image information, and the image signal is sent to the light source drive circuit 2013 via the modulator 2012, and the image synchronization signal is sent to the scanner drive circuit 2014. The scanner drive circuit 2014 supplies a drive signal to the optical deflector 2006 according to the image synchronization signal. By this drive signal, the mirror unit 10 of the optical deflector 2006 resonates and vibrates in two orthogonal directions with an amplitude of a predetermined angle (for example, about 10 deg), and the incident laser light is two-dimensionally deflected and scanned. On the other hand, the intensity of the laser light emitted from the laser light source 2001 is modulated by the light source driving circuit 2013 in accordance with the timing of the two-dimensional deflection scanning of the optical deflector 2006, and thereby a two-dimensional image is projected on the projection surface 2007. Information is projected. Intensity modulation may modulate the pulse width or the amplitude. The modulator 2012 performs pulse width modulation or amplitude modulation on the image signal, and modulates the modulated signal into a current that can drive the laser light source 2001 by the light source driving circuit 2013 to drive the laser light source 2001.

ここで、光偏向手段には、ポリゴンミラーなどの回転走査ミラーを使用することもできるが、本発明の実施例7、8の構成の光偏向器(二次元反射角度可変ミラー)2006は、回転走査ミラーに比べ駆動のための消費電力が小さいため、画像投影装置の省電力に有利である。また、光偏向器2006のミラー基板の振動時の風切り音は回転走査ミラーに比べて小さいため、画像投影装置の静粛性の改善に有利である。さらに光偏向器2006は、回転走査ミラーに比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済み、また、発熱量もわずかであるため、小型化が容易であり、したがって、画像投影装置の小型化に有利である。   Here, a rotating scanning mirror such as a polygon mirror can be used as the light deflecting unit, but the optical deflector (two-dimensional reflection angle variable mirror) 2006 having the configuration of the seventh and eighth embodiments of the present invention is rotated. Since power consumption for driving is smaller than that of the scanning mirror, it is advantageous for power saving of the image projection apparatus. Further, since the wind noise during vibration of the mirror substrate of the optical deflector 2006 is smaller than that of the rotating scanning mirror, it is advantageous for improving the quietness of the image projection apparatus. Furthermore, the optical deflector 2006 requires much less installation space than the rotary scanning mirror and has a small amount of heat generation, so it can be easily downsized, and is therefore advantageous for downsizing the image projection apparatus. is there.

10 ミラー部
20 内部枠部材
22 連結部材
30a,30b トーションバースプリング(弾性支持部材)
40a,40b 駆動梁
41a,41b 梁状部材
42a,42b 圧電部材
50 固定ベース
60a,60b 切れ込み部
120 内部枠部材
122 連結部材
130a,130b 第1のトーションバースプリング
140a,140b 第1の駆動梁
150 可動枠
220a,220b 第2のトーションバースプリング
230a,230b 第2の駆動梁(駆動梁)
240 固定ベース
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Mirror part 20 Internal frame member 22 Connection member 30a, 30b Torsion bar spring (elastic support member)
40a, 40b Drive beam 41a, 41b Beam-like member 42a, 42b Piezoelectric member 50 Fixed base 60a, 60b Notch 120 Internal frame member 122 Connection member 130a, 130b First torsion bar spring 140a, 140b First drive beam 150 Movable Frames 220a, 220b Second torsion bar springs 230a, 230b Second drive beam (drive beam)
240 fixed base

特許第3129219号公報Japanese Patent No. 3129219 特許第3246106号公報Japanese Patent No. 3246106 特開2008−083603号公報JP 2008-083603 A 特開2007−065649号公報JP 2007-065649 A

Claims (10)

固定ベースと、光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を囲う内部枠部材と、前記内部枠部材と前記ミラー部を接続する複数の連結部材と、前記ミラー部を前記内部枠部材を介して揺動可能に支持する一対の弾性支持部材と、梁状部材に圧電部材が固着された一対の駆動梁とを有し、
前記弾性支持部材の長手方向と前記駆動梁の長手方向とが略直交して配置されて、両者が接続され、前記駆動梁の他端は固定ベースに固定されて、一対の前記駆動梁で、前記ミラー部と前記内部枠部材と一対の前記弾性支持部材とが前記固定ベースに対して片持ち支持され、
前記駆動梁が曲げ振動することで、前記弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記ミラー部が前記内部枠部材と一体に回転振動する一方、
前記弾性支持部材と前記駆動梁の接続部分に、前記光反射面と垂直な方向の厚さが部分的に薄くなるように窪みが形成されていることを特徴とする光偏向器。
A fixed base, a mirror part having a light reflecting surface, an inner frame member surrounding the mirror part, a plurality of connecting members connecting the inner frame member and the mirror part, and the mirror part via the inner frame member A pair of elastic support members that are swingably supported, and a pair of drive beams in which a piezoelectric member is fixed to the beam-shaped member,
The longitudinal direction of the elastic support member and the longitudinal direction of the drive beam are arranged substantially orthogonally, and both are connected, the other end of the drive beam is fixed to a fixed base, and a pair of the drive beams, The mirror part, the inner frame member, and the pair of elastic support members are cantilevered with respect to the fixed base,
While the drive beam is bending-vibrated, torsional deformation occurs in the elastic support member, and the mirror portion rotates and vibrates integrally with the inner frame member ,
An optical deflector , wherein a recess is formed in a connecting portion between the elastic support member and the driving beam so that a thickness in a direction perpendicular to the light reflecting surface is partially reduced .
可動枠と、光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を囲う内部枠部材と、前記内部枠部材と前記ミラー部を接続する複数の連結部材と、前記ミラー部を前記内部枠部材を介して揺動可能に支持する一対の第1の弾性支持部材と、梁状部材に圧電部材が固着された一対の第1の駆動梁と、前記可動枠を揺動可能に支持する一対の第2の弾性支持部材と、梁状部材に圧電部材が固着された一対の第2の駆動梁と、固定ベースとを有し、
前記第1の弾性支持部材の長手方向と前記第1の駆動梁の長手方向とが略直交して配置されて、両者が接続され、前記第1の駆動梁の他端は前記可動枠に固定されて、一対の前記第1の駆動梁で、前記ミラー部と前記内部枠部材と前記一対の第1の弾性支持部材とが前記可動枠に対して片持ち支持され、
前記第2の弾性支持部材の長手方向と前記第2の駆動梁の長手方向とが略直交して配置されて、両者が接続され、前記第2の駆動梁の他端は固定ベースに固定されて、一対の前記第2の駆動梁で、前記可動枠と一対の前記第2の弾性支持部材とが前記固定ベースに対して片持ち支持され、
前記第1の駆動梁が曲げ振動することで、前記第1の弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記ミラー部が前記内部枠部材と一体に第1の方向に回転振動し、
前記第2の駆動梁が曲げ振動することで、前記第2の弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記可動枠が回転振動し、前記ミラー部が前記内部枠部材と一体に第2の方向に回転振動することを特徴とする光偏向器。
A movable frame, a mirror part having a light reflecting surface, an inner frame member surrounding the mirror part, a plurality of connecting members connecting the inner frame member and the mirror part, and the mirror part via the inner frame member A pair of first elastic support members that are swingably supported, a pair of first drive beams in which a piezoelectric member is fixed to the beam-shaped member, and a pair of second supports that swingably support the movable frame. An elastic support member, a pair of second drive beams in which a piezoelectric member is fixed to the beam-shaped member, and a fixed base,
The longitudinal direction of the first elastic support member and the longitudinal direction of the first drive beam are arranged substantially orthogonally to each other, and the other end of the first drive beam is fixed to the movable frame. The pair of first drive beams are cantilevered with respect to the movable frame by the mirror portion, the inner frame member, and the pair of first elastic support members,
The longitudinal direction of the second elastic support member and the longitudinal direction of the second drive beam are arranged substantially orthogonally to each other, and the other end of the second drive beam is fixed to a fixed base. The movable frame and the pair of second elastic support members are cantilevered with respect to the fixed base by the pair of second drive beams,
When the first driving beam is subjected to bending vibration, torsional deformation occurs in the first elastic support member, and the mirror portion rotates and vibrates in the first direction integrally with the inner frame member,
When the second driving beam vibrates, the second elastic support member undergoes torsional deformation, the movable frame rotates and vibrates, and the mirror portion is integrated with the inner frame member. An optical deflector that rotates and vibrates in a direction.
可動枠と、光反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を囲う内部枠部材と、前記内部枠部材と前記ミラー部を接続する複数の連結部材と、前記ミラー部を前記内部枠部材を介して揺動可能に支持する一対の第1の弾性支持部材と、前記可動枠を揺動可能に支持する一対の第2の弾性支持部材と、梁状部材に圧電部材が固着された一対の駆動梁と、固定ベースとを有し、
一対の前記第1の弾性支持部材は、その一端が前記ミラー部に接続され、他端が前記可動枠に固定されて、前記ミラー部が前記内部枠部材を介して揺動可能に支持され、
前記第2の弾性支持部材の長手方向と前記駆動梁の長手方向とが略直交して配置されて、両者が接続され、前記駆動梁の他端は固定ベースに固定されて、一対の前記駆動梁で、前記可動枠と一対の前記第2の弾性支持部材とが前記固定ベースに対して片持ち支持され、
一対の前記駆動梁が逆位相で曲げ振動することで、一対の前記第1の弾性支持部材の軸周りに回転振動が発生して、前記ミラー部が前記内部枠部材と一体に第1の方向に回転振動し、
一対の前記振動梁が同位相で曲げ振動することで、前記第2の弾性支持部材に捻り変形が発生して、前記可動枠が回転振動し、前記ミラー部が前記内部枠部材と一体に第2の方向に回転振動することを特徴とする光偏向器。
A movable frame, a mirror part having a light reflecting surface, an inner frame member surrounding the mirror part, a plurality of connecting members connecting the inner frame member and the mirror part, and the mirror part via the inner frame member A pair of first elastic support members that are swingably supported, a pair of second elastic support members that swingably support the movable frame, and a pair of drives in which a piezoelectric member is fixed to the beam-shaped member A beam and a fixed base;
The pair of first elastic support members has one end connected to the mirror part, the other end fixed to the movable frame, and the mirror part supported to be swingable via the inner frame member,
The longitudinal direction of the second elastic support member and the longitudinal direction of the drive beam are arranged substantially orthogonally to each other, and the other end of the drive beam is fixed to a fixed base, and a pair of the drive In the beam, the movable frame and the pair of second elastic support members are cantilevered with respect to the fixed base,
The pair of drive beams bend and vibrate in opposite phases to generate rotational vibration around the pair of first elastic support members, and the mirror portion is integrated with the inner frame member in the first direction. Oscillate and rotate
When the pair of vibrating beams bend and vibrate in the same phase, torsional deformation occurs in the second elastic support member, and the movable frame rotates and vibrates, and the mirror portion is integrated with the inner frame member. An optical deflector that vibrates in the direction of 2.
前記内部枠部材と前記ミラー部を接続する複数の連結部材は、前記ミラー部の中心に対して放射状に配置され、且つ、一対の前記弾性支持部材と前記内部枠部材の接続点の延長線上には前記連結部材が配置されないことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の光偏向器。   The plurality of connecting members that connect the inner frame member and the mirror portion are arranged radially with respect to the center of the mirror portion, and on an extension line of a connection point between the pair of the elastic support member and the inner frame member. 4. The optical deflector according to claim 1, wherein the connecting member is not disposed. 前記内部枠部材と前記ミラー部は6個以上の連結部材で接続されることを特徴とする請求項1乃至4いずれか1項に記載の光偏向器。   The optical deflector according to any one of claims 1 to 4, wherein the inner frame member and the mirror portion are connected by six or more connecting members. 前記ミラー部の重心が、前記弾性支持部材の中心軸に対して、前記駆動梁と前記固定ベースとの接続部側に近接する方向にオフセットされていることを特徴とする請求項1、4、5のいずれか1項に記載の光偏向器。   The center of gravity of the mirror part is offset in a direction approaching the connection part side of the drive beam and the fixed base with respect to the central axis of the elastic support member. The optical deflector according to any one of 5. 前記第1の駆動梁のミラー部側の端面が、前記第1の弾性支持部材のミラー部と反対側の端部よりもミラー部側に近接するように、前記第1の駆動梁と前記第1の弾性支持部材の接続部分に切り込みが形成されていることを特徴とする請求項記載の光偏向器。 The first drive beam and the first drive beam are arranged so that an end surface of the first drive beam on the mirror portion side is closer to the mirror portion side than an end portion on the opposite side to the mirror portion of the first elastic support member. 3. An optical deflector according to claim 2 , wherein a cut is formed in a connecting portion of the elastic support member . 光源と、光源からの光ビームを偏向させる請求項3〜6のいずれか1項記載の光偏向器と、偏向された光ビームを被走査面にスポット状に結像する結像光学系とを備えることを特徴とする光走査装置 A light source, an optical deflector according to any one of claims 3 to 6 for deflecting a light beam from the light source, and an imaging optical system for imaging the deflected light beam in a spot shape on a surface to be scanned. optical scanning apparatus you, comprising. 請求項8記載の光走査装置と、光ビームの走査により潜像を形成する感光体と、潜像をトナーで顕像化する現像手段と、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. An optical scanning device according to claim 8, a photoconductor for forming a latent image by scanning with a light beam, a developing means for developing the latent image with toner, and a transfer means for transferring the toner image to a recording sheet. An image forming apparatus . 光源と、
前記光源からの光ビームを画像信号に応じて変調する変調器と、
前記光ビームを略平行光とするコリメート光学系と、
前記略平行光とされた光ビームを偏向して投影面に投射する請求項1乃至7のいずれか1項記載の光偏向器とを有することを特徴とする画像投影装置
A light source;
A modulator that modulates a light beam from the light source according to an image signal;
A collimating optical system in which the light beam is substantially parallel light;
An image projection apparatus comprising: the optical deflector according to claim 1, which deflects and projects the substantially parallel light beam onto a projection surface .
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